劉柄之，楊曙輝，陳迎潮

（1.北京四達(dá)時(shí)代軟件技術(shù)股份有限公司 北京 100176； 2.中國(guó)傳媒大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100024； 3.南卡羅來(lái)納大學(xué) 電氣工程系，哥倫比亞 SC29208）

1 引言

移動(dòng)通信是現(xiàn)代通信技術(shù)的重要組成部分。隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，人們對(duì)通信質(zhì)量和速度的要求也越來(lái)越高[1-3]。傳統(tǒng)的單頻天線無(wú)法滿足現(xiàn)代天線的需求，主要有以下幾個(gè)原因：

(1)通信頻段的增多。隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，各種應(yīng)用領(lǐng)域（例如無(wú)人機(jī)、智能家居、智能交通等）的通信手段也越來(lái)越豐富，傳統(tǒng)的單頻段天線只能在特定頻段內(nèi)工作，無(wú)法滿足其多頻段通信的需求。

(2)空間資源的有限性。在現(xiàn)代城市中，空間資源非常有限。為了滿足多種通信標(biāo)準(zhǔn)的需求，需要在有限的空間內(nèi)安裝多個(gè)天線。這不僅會(huì)占用大量的空間，還會(huì)增加建設(shè)和維護(hù)的成本。

(3)電磁兼容性。在現(xiàn)代電子設(shè)備中，不同的設(shè)備會(huì)產(chǎn)生不同的電磁干擾。傳統(tǒng)的單頻段天線無(wú)法滿足電磁兼容性的要求。

多頻段天線是指能夠在多個(gè)頻段內(nèi)工作的天線。它可以同時(shí)支持多種通信標(biāo)準(zhǔn)，從而提高通信質(zhì)量和速度[4-6]，如GSM、CDMA、LTE等。

寬帶天線是一種能夠在較寬的頻帶內(nèi)工作的天線。在研究過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的天線類型往往只能在狹窄的頻帶內(nèi)工作，而在其他頻段內(nèi)的性能表現(xiàn)不佳。因此，研究人員開始探索新的天線結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)更廣泛的頻帶覆蓋和更好的性能表現(xiàn)。在此背景下，出現(xiàn)了一系列新型寬帶天線，如螺旋天線、寬帶貼片天線、寬帶微帶天線等。這些新的天線設(shè)計(jì)都能夠在較寬的頻帶內(nèi)工作，并且在不同頻段內(nèi)的性能表現(xiàn)都比傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)方法更好。

圓極化天線是一種特殊的天線，它能夠同時(shí)接收任意極化方向的電磁波，并且它所輻射的電磁波可以被任意極化方式的天線接受。相較于傳統(tǒng)的線極化天線，圓極化天線可以消除多徑效應(yīng)的影響，減少傳輸信號(hào)的衰減以及提高抗干擾能力。

微帶天線就是利用光刻腐蝕方法在介質(zhì)基板兩面形成特定金屬圖案的一種天線。它具有體積小、重量輕、制造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足通信設(shè)備小型化和輕量化的需求，因此在圓極化技術(shù)的應(yīng)用方面具有很大的潛力。

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用需求的不斷增加，多頻段和寬帶圓極化微帶天線的研究也得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信、雷達(dá)、衛(wèi)星通信、航空航天等領(lǐng)域，成為現(xiàn)代通信技術(shù)的重要組成部分。此類研究不僅可以降低天線成本和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，還能在有限的空間內(nèi)支持多種通信標(biāo)準(zhǔn)，提高通信質(zhì)量和速度，減少電磁干擾的影響，以實(shí)現(xiàn)更廣泛的頻帶覆蓋和更好的性能表現(xiàn)，為人們的生活和工作帶來(lái)更多的便利[7-10]。

2 圓極化天線基本參數(shù)

(1)方向圖、增益和效率

天線方向圖是描述天線輻射方向性的圖形。它是描述天線輻射特性的重要參數(shù)之一，也是天線設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的關(guān)鍵因素。在實(shí)際應(yīng)用中，天線方向圖的選擇和優(yōu)化對(duì)于天線的性能和應(yīng)用效果具有重要的影響[11]。

為了方便，工程上常采用二維圖形來(lái)描述[12]，通常用極坐標(biāo)系表示，其中徑向表示輻射強(qiáng)度，角度表示輻射方向。天線方向圖可以用來(lái)描述天線在不同方向上的輻射強(qiáng)度和輻射方向，以及天線的主瓣方向、副瓣方向、波束寬度等參數(shù)。為了使各種天線方向圖的比較和繪制方便，一般取方向性函數(shù)的最大值為 1，即歸一化方向圖。由以下公式表示：

其中，|E(θ,φ)|表示的是任意位置的場(chǎng)強(qiáng)幅值，|Emax|表示最大的場(chǎng)強(qiáng)幅值。

天線增益是指天線在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比[13]。天線增益通常用分貝表示，即dBd或dBi。在實(shí)際應(yīng)用中，通常使用dBi作為參考值。天線的增益是由天線安裝在系統(tǒng)中位置、類型、輸入功率、天線方向性和損耗等因素共同決定的。擺放天線的高度、天線的寬高比、天線的輻射狀況和支撐結(jié)構(gòu)等都會(huì)影響天線的增益。

天線的增益可以由以下公式計(jì)算（Pin為天線的輸入功率）：

天線效率是一個(gè)衡量天線性能的重要參數(shù)。它是指天線將電能輸送到傳輸介質(zhì)的能力，也就是天線將輸入的功率轉(zhuǎn)換為有效的輻射功率的能力。當(dāng)天線受到輸入信號(hào)作用時(shí)，它會(huì)將電能轉(zhuǎn)化為電磁波輻射出去。然而，由于天線自身的電阻和電感阻礙了電磁波能量的輸出，因此只有一部分的輸入功率能夠被有效地輻射出去。天線的效率等于輸出功率與輸入功率之比，它的值通常在0和1之間，并根據(jù)天線的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程的性能而變化。一個(gè)高效的天線可以提供更好的性能，具有更遠(yuǎn)的覆蓋范圍和更強(qiáng)的信號(hào)質(zhì)量。因此，天線效率是在選擇和設(shè)計(jì)天線時(shí)需要考慮的重要因素之一。

如果分別用Pin和Prad表示天線的輸入功率和輻射功率，則天線效率為：

(2)天線帶寬

天線的頻帶寬度，簡(jiǎn)稱為天線帶寬，它的定義為：天線的工作頻率范圍，即可以接收或發(fā)射電磁波的頻率范圍，用f1至f2表示。而此范圍的中心點(diǎn)被稱為中心頻率，用f0表示。天線帶寬主要有三種表示方法：相對(duì)帶寬、絕對(duì)帶寬和比值帶寬。

相對(duì)帶寬是指天線工作頻率范圍與其中心頻率之比，通常用百分比表示：

比如，一個(gè)天線中心頻率為5 GHz，其工作頻率范圍為4.5 GHz-5.5 GHz，其相對(duì)帶寬為10%。相對(duì)帶寬越大，天線可以接收或發(fā)射的頻率范圍也就越寬，因此相對(duì)帶寬是衡量天線頻帶能力的重要參數(shù)。一些應(yīng)用中，如通信系統(tǒng)、雷達(dá)、無(wú)線電頻譜監(jiān)測(cè)等，要求天線具有廣泛的頻帶寬度和高的頻率選擇性，這時(shí)相對(duì)帶寬顯得尤為重要。

絕對(duì)帶寬是指天線工作的最高頻率和最低頻率的差，通常用赫茲 (Hz)或吉赫茲 (GHz)表示：

絕對(duì)帶寬越大，天線能夠處理的頻率范圍也就越寬，但是絕對(duì)帶寬不能完全反映天線的頻帶能力，因?yàn)槟承?yīng)用中要求天線工作頻帶范圍不一定要覆蓋整個(gè)帶寬。例如，GPS 天線只需要工作在計(jì)算導(dǎo)航需要的頻段，因此對(duì)于GPS 天線而言，絕對(duì)帶寬并不是關(guān)鍵的參數(shù)。而比值帶寬是指上、下限頻率之比，即f2:f1。

通常來(lái)說(shuō)，相對(duì)帶寬被經(jīng)常使用，而比值帶寬主要用于描述超帶寬天線的帶寬。

(3)極化與軸比

天線極化是指天線輻射電磁波的電場(chǎng)矢量在空間中的方向，即時(shí)變電場(chǎng)矢量端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的形狀、取向和旋轉(zhuǎn)方向。天線極化的方式有三種：線極化、橢圓極化和圓極化。線極化包括水平極化和垂直極化，分別指電場(chǎng)矢量沿著水平或垂直方向振動(dòng)。圓極化是指電場(chǎng)矢量在空間中沿著圓周方向旋轉(zhuǎn)，而橢圓極化則是指電場(chǎng)矢量在空間中沿著橢圓方向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)其旋轉(zhuǎn)方向的不同，橢圓極化和圓極化又包含左旋極化和右旋極化兩種方式。

在實(shí)際工程中，嚴(yán)格意義上的圓極化波是很難實(shí)現(xiàn)的，于是就有了一個(gè)衡量天線圓極化的參數(shù)，即軸比AR(Axial Ratio)，單位采用dB。它是指橢圓的長(zhǎng)軸a與短軸 b 之比，即：

從軸比的定義就可以看出,當(dāng)AR= 0 dB 時(shí)，此時(shí)是圓極化，當(dāng)AR=∞時(shí)為線極化。一般工程上的圓極化要求是AR≤3 dB。

3 微帶天線圓極化技術(shù)

天線實(shí)現(xiàn)圓極化的原理就是：分別產(chǎn)生兩個(gè)線極化電場(chǎng)分量，并且兩個(gè)分量的振幅相等，相位相差90°。微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化的方式主要有三種[14]：?jiǎn)吸c(diǎn)饋電法、多點(diǎn)饋電法和多元法。

單點(diǎn)饋電法只有一個(gè)饋電點(diǎn)，它主要采用微擾動(dòng)技術(shù)。通過(guò)對(duì)天線引入微擾單元，改變天線的電場(chǎng)平衡，并使天線表面電流相位發(fā)生改變，使其相差90°，從而滿足圓極化條件。具體的實(shí)現(xiàn)操作是對(duì)天線的輻射貼片添加枝節(jié)、進(jìn)行切角、開槽、引入寄生貼片等，如圖1 所示。此種方法無(wú)需外加的相移網(wǎng)絡(luò)和功率分配器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，適合天線小型化。缺點(diǎn)是帶寬窄，極化性能較差。

圖1 單點(diǎn)饋電法微擾動(dòng)技術(shù)示意圖

多點(diǎn)饋電法是使用2 個(gè)及以上的饋電點(diǎn)，一般利用復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)（如相移網(wǎng)絡(luò)和功率分配器）來(lái)使兩個(gè)模式的振幅相等、相位差90°，從而達(dá)到圓極化條件。此方法可提高阻抗帶寬及圓極化帶寬，抑制交叉極化，提高軸比。缺點(diǎn)是饋電網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜，成本較高，尺寸較大。

多元法則是多個(gè)線極化輻射單元按一定位置排列來(lái)實(shí)現(xiàn)圓極化輻射，它具備多饋法的優(yōu)點(diǎn)，而饋電網(wǎng)絡(luò)較為簡(jiǎn)化，增益高。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，尺寸大。

本文主要介紹了基于單點(diǎn)饋電法的改進(jìn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)微帶天線多頻段及寬帶圓極化的研究進(jìn)展。

4 多頻段及寬帶圓極化微帶天線實(shí)現(xiàn)方式

4.1 寬縫隙結(jié)構(gòu)

寬縫隙結(jié)構(gòu)的圓極化天線本身就具有寬帶的特性，這種天線能夠在多個(gè)頻段或?qū)掝l段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和圓極化性能，因此成為近年來(lái)研究者們?cè)O(shè)計(jì)圓極化天線所采用的主要方式。寬縫隙結(jié)構(gòu)天線的饋電形式往往是倒“F”形、倒“L” 形，缺陷地結(jié)構(gòu)以正方形、矩形和多邊形縫隙為主。通過(guò)改變饋線和缺陷地縫隙的結(jié)構(gòu)形狀，可以擴(kuò)寬天線的阻抗帶寬和軸比帶寬。1999 年，J I Park 教授團(tuán)隊(duì)首次創(chuàng)造性地使用了缺陷地結(jié)構(gòu)，此后，缺陷地結(jié)構(gòu)開始受到眾多關(guān)注，逐漸成為了微波、毫米波等天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)的熱門研究課題。缺陷地結(jié)構(gòu)的原理主要是對(duì)接地面進(jìn)行開槽形成縫隙結(jié)構(gòu)，以此改變?nèi)毕莸氐牡刃щ姼泻碗娙?，使得其擁有慢波和帶阻特性。因此，缺陷地結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用在抑制天線的高次諧波、提高天線増益、帶寬和Q值等方面[15]。

Sirous Bahrami 等人提出了一種可調(diào)諧的超寬帶圓極化寬縫天線[16]，如圖2 所示。它被打印在32 mil厚的Rogers 4003C 襯底的兩面，上層是心形槽，底層是連接到50 Ω 微帶線的“L”形饋線并通過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)連接SMA 連接器。通過(guò)調(diào)整饋線的尺寸可以獲得較寬的重疊帶寬，并用合適相位的源來(lái)激勵(lì)狹槽產(chǎn)生圓極化。為了優(yōu)化阻抗匹配帶寬和圓極化輻射特性，在方形槽的頂部角處進(jìn)行擾動(dòng)。天線的阻抗帶寬為92.3% (3.5-9.5 GHz)，而在寬帶模式下，它的軸比帶寬為88.3% (3.1-8 GHz)。

在文獻(xiàn)[17]中提出了一種微帶饋電的簡(jiǎn)單寬縫隙天線，可實(shí)現(xiàn)三段寬頻帶圓極化輻射，如圖3 所示。它包括一個(gè)“L”形輻射貼片和一個(gè)地面寬縫結(jié)構(gòu)。地面相對(duì)的角落有兩個(gè)矩形條，在下部的右側(cè)矩形條上開一個(gè)矩形狹縫，主要用于拓寬上頻段的軸比帶寬。該天線在上頻段和下頻段輻射右旋圓極化波，在中頻段輻射左旋圓極化波。如圖4 所示，測(cè)量的阻抗帶寬分別為44.0% (2.34-3.66 GHz)和70.9% (4.55-9.55 GHz)。三波段實(shí)測(cè)的3 dB 軸比帶寬分別為35.9%(2.40-3.45 GHz)、44.0% (4.65-7.27 GHz)和6.3% (8.13-8.66 GHz)。在工作范圍內(nèi)測(cè)量的峰值增益分別為4.2、3.7和3.5 dBi。

圖3 文獻(xiàn)[17]中的天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 文獻(xiàn)[17]中的天線仿真與測(cè)量數(shù)據(jù)

Mubarak Sani Ellis 等人提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊的新型圓極化縫隙天線[18]，如圖5 所示。該天線的地面采用了蝕刻出矩形槽的寬縫隙結(jié)構(gòu)，地面下方被另一個(gè)較窄的矩形槽截?cái)?，以此破壞電流的?duì)稱性與連續(xù)性。在缺陷地結(jié)構(gòu)的一側(cè)還加載了水平方向的枝節(jié)，它的作用是加強(qiáng)水平電流，縮小與垂直電流的幅值差，使天線更容易滿足圓極化條件。此外，通過(guò)在饋線頂部添加短枝節(jié)，加強(qiáng)了與地面的耦合，軸比帶寬可以顯著提高。該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，基板是FR-4材料，成本低，易于加工。如圖6 所示，測(cè)量結(jié)果顯示，天線|S11|＜-10 dB 的阻抗帶寬為90.2%(3.5-9.25 GHz)，AR大于3 dB 的軸比帶寬為40%(4.6-6.9 GHz)。并且在頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了4.5 dBi 的峰值增益。它適用于C 波段的無(wú)線通信，包括WLAN(5.2 GHz、5.8 GHz)和WiMAX(5.5 GHz)。

圖5 文獻(xiàn)[18]中的天線實(shí)物圖

圖6 文獻(xiàn)[18]中的天線仿真與測(cè)量數(shù)據(jù)

設(shè)計(jì)一款軸比帶寬大于80%，并且結(jié)構(gòu)緊湊的單饋點(diǎn)圓極化微帶天線是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。部分天線雖然圓極化帶寬大于80%，但它們的尺寸較大[19]或呈現(xiàn)較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)[20]。

Kwame Oteng Gyasi 等人提出了一款緊湊、簡(jiǎn)單的超寬帶圓極化縫隙天線[21]。如圖7所示。天線尺寸是30 mm × 30 mm × 1.6 mm，它采用倒“F”形微帶饋線，接地層中有兩個(gè)相連的矩形縫隙和一個(gè)“L”形縫隙，多縫隙結(jié)構(gòu)有利于延展天線的表面電流路徑，降低天線工作頻率，進(jìn)而拓寬阻抗帶寬。倒“F”形的微帶饋線有利于調(diào)節(jié)水平方向和垂直方向的電流，因此可以在寬頻帶內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)具有相同振幅和90°相位差的正交模式。該天線在不使用任何無(wú)源元件或通孔的情況下實(shí)現(xiàn)了大于80%的圓極化帶寬，同時(shí)也保持了天線結(jié)構(gòu)的緊湊性。如圖8 所示，測(cè)量結(jié)果顯示，天線的阻抗帶寬為92.6% (2.9-7.9 GHz)，軸比帶寬為83.5% (3-7.3 GHz)。

圖7 文獻(xiàn)[21]中的天線實(shí)物圖

圖8 文獻(xiàn)[21]中的天線仿真與測(cè)量數(shù)據(jù)

4.2 微帶單極子結(jié)構(gòu)

近些年來(lái)，利用單極子結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)天線圓極化逐漸成為研究者們熱衷的課題。單極子天線不僅結(jié)構(gòu)緊湊，易于加工，并且同樣具有寬阻抗帶寬的特性，通過(guò)對(duì)輻射貼片和接地面引入微擾元素來(lái)擾動(dòng)天線表面電流分布并且改變天線的阻抗匹配，并利用它們之間的耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的圓極化特性。

通過(guò)在輻射貼片上增加新的折疊枝節(jié)是實(shí)現(xiàn)多頻圓極化特性最直接的方法[22-23]，如圖9、圖10所示。

圖9 文獻(xiàn)[22]中的天線實(shí)物圖

圖10 文獻(xiàn)[23]中的天線結(jié)構(gòu)示意圖

然而，Amir Altaf等人利用單枝節(jié)的“D”形輻射貼片很好地實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)頻段的圓極化，高頻帶和低頻帶分別輻射右旋圓極化和左旋圓極化波[24]，如圖11所示。

圖11 文獻(xiàn)[24]中的天線實(shí)物圖和數(shù)據(jù)

文獻(xiàn)[25]介紹了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊的新型寬帶圓極化單極子微帶天線，如圖12 所示。寬帶圓極化是通過(guò)接地面一側(cè)的拓展延伸枝節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而十字形單極子結(jié)構(gòu)和接地面中眾多槽的存在確保了范圍廣泛的阻抗帶寬。此外，在不修改結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，只需在天線背面放置一個(gè)金屬反射面，就可以提高輻射性能，實(shí)現(xiàn)單向輻射。如圖13、14 所示，測(cè)量結(jié)果表明，天線的3 dB 軸比帶寬約為42.6% (2.6 GHz，4.8-7.4 GHz)，完全覆蓋了55.5% (3.35 GHz，4.36-7.71 GHz)的-10 dB阻抗帶寬。

圖12 文獻(xiàn)[25]中的天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖13 文獻(xiàn)[25]中的天線實(shí)物圖和數(shù)據(jù)

圖14 文獻(xiàn)[25]中帶金屬板的天線實(shí)物圖和數(shù)據(jù)

如圖15所示，Hongyan Tang等人提出了一種具有寬帶圓極化“問(wèn)號(hào)”形單極子天線[26]。通常來(lái)說(shuō)，單極子天線輻射單一的水平方向或垂直方向的線極化波。通過(guò)在“C”字形貼片左下方刻蝕一條矩形狹縫，改變了電流流向。原本的電流只有一條傾斜方向的路徑，開縫之后，與原電流垂直的方向又多了兩條電流路徑，分布在縫隙的兩側(cè)。這樣就可以在更多的頻段同時(shí)產(chǎn)生水平和垂直兩個(gè)方向的線極化波，從而拓展其軸比帶寬，提高了圓極化性能。另外，由于優(yōu)化前的矩形接地面高度對(duì)稱，導(dǎo)致左右兩個(gè)方向的電流相互抵消，電流矢量和為零，與輻射貼片的耦合效果不佳，同時(shí)也無(wú)法滿足產(chǎn)生兩個(gè)正交電流的圓極化條件。通過(guò)對(duì)地面增加兩個(gè)三角形的枝節(jié)，使其結(jié)構(gòu)變得不對(duì)稱，地面的表面電流被擾動(dòng)，與輻射貼片的耦合得到了加強(qiáng)。如圖16所示，天線的阻抗帶寬為106.3%(2.25-7.35 GHz)，小于3 dB 的軸比帶寬為104.7%(2.05 - 6.55 GHz)。由于其緊湊簡(jiǎn)單的平面結(jié)構(gòu)和超寬帶的圓極化特性，該天線適用于各種無(wú)線通信系統(tǒng)。

圖15 文獻(xiàn)[26]中的天線實(shí)物圖

圖16 文獻(xiàn)[26]中的天線仿真與測(cè)量數(shù)據(jù)

4.3 引入寄生貼片

傳統(tǒng)的微帶天線常常采用單一結(jié)構(gòu)的輻射貼片來(lái)實(shí)現(xiàn)圓極化，雖然它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，但是其帶寬往往很窄。通過(guò)引入寄生貼片可以拓寬天線的帶寬，寄生貼片的加入可以改變天線的電感、電容和電阻等參數(shù)，從而影響天線的阻抗匹配、頻率響應(yīng)和輻射特性。通過(guò)調(diào)節(jié)寄生貼片的尺寸、形狀和位置等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天線的增益、方向性、圓極化等性能的優(yōu)化。對(duì)輻射主體進(jìn)行饋電時(shí)，寄生貼片通過(guò)耦合輻射主體上的能量，產(chǎn)生新的在主模頻率附近的諧振模式，從而達(dá)到拓展帶寬的目的。

在文獻(xiàn)[27]中，提出了一種簡(jiǎn)單、緊湊的多頻帶圓極化方形槽天線，如圖17 所示，該天線引入金屬帶和裂環(huán)結(jié)構(gòu)（Split-Ring Resonator，SRR）作為寄生貼片。天線采用微帶饋電方式，通過(guò)與SRR和金屬帶相互耦合實(shí)現(xiàn)多波段輻射。SRR 影響的諧振頻率為1.83 GHz，而金屬帶和方槽天線影響的諧振頻率為2.5 和3.1 GHz。當(dāng)SRR 和金屬帶的諧振模式與方槽的基本模式相結(jié)合時(shí)，天線可以在諧振頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生圓極化波。所提出的天線可以通過(guò)傾斜的金屬帶和SRR對(duì)不同波段進(jìn)行獨(dú)立調(diào)諧。如圖18 所示，該天線的諧振頻率為1.83、2.5 和3.1 GHz，阻抗帶寬分別為21.4%、12.8%和4.5%，軸比帶寬分別為4.37%、11.9%和3.6%，增益分別為2.7、3.2和3.5 dBi。

圖17 文獻(xiàn)[27]中的天線實(shí)物圖

圖18 文獻(xiàn)[27]中的天線仿真與測(cè)量數(shù)據(jù)

如圖19(a)所示，Manas Midya 等人提出了一種加載寄生貼片的微帶饋電單極子天線，其中超過(guò)87%的阻抗帶寬與軸比帶寬重疊，實(shí)現(xiàn)了很好的圓極化輻射[28]。該天線設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易于加工、成本低、結(jié)構(gòu)緊湊。為了確保簡(jiǎn)單性和緊湊性，根據(jù)單饋電磁耦合技術(shù)在激發(fā)圓極化模式方面的優(yōu)越性，在反“C”形輻射貼片左側(cè)加載“G”形寄生貼片，利用寄生貼片與輻射貼片之間的耦合形成正交簡(jiǎn)并模。通過(guò)對(duì)接地面兩邊的開槽操作，破壞天線接地面的對(duì)稱性，天線的軸比帶寬得到了極大的擴(kuò)展。如圖20 所示，測(cè)量結(jié)果表明，天線可工作在3.92-7.52 GHz(62.94%)頻段，且它的軸比帶寬為53.92% (4.28-7.44 GHz)。該天線能夠?yàn)閃LAN (5.150-5.350 GHz、5.725-5.825 GHz)、Wi MAX(5.5 GHz)和ISM頻段(5.8 GHz)提供服務(wù)。

圖19 天線實(shí)物圖

圖20 文獻(xiàn)[28]中的天線仿真與測(cè)量數(shù)據(jù)

Hussein Alsariera等人提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，具有寬阻抗帶寬與軸比帶寬的 “P”形圓極化單極子天線[29]，見圖19(b)。該天線通過(guò)將50 Ω 矩形饋線與“P”形貼片連接，可實(shí)現(xiàn)寬阻抗帶寬。通過(guò)在背面添加具有四個(gè)臂的不對(duì)稱寄生條實(shí)現(xiàn)了圓極化輻射，同時(shí)進(jìn)一步拓寬了阻抗帶寬與軸比帶寬。兩個(gè)三角形直接連接寄生條增加了電流路徑，在接地面的處理上同樣是增加了兩個(gè)矩形槽，來(lái)破壞接地面的對(duì)稱性。如圖21 所示，其阻抗帶寬為118.5% (1.6-6.25 GHz)，軸比帶寬為104.4% (1.9-6.05 GHz)。所提出的天線設(shè)計(jì)可以很好的適用于各種無(wú)線通信系統(tǒng)。

圖21 文獻(xiàn)[29]中的天線仿真與測(cè)量數(shù)據(jù)

在文獻(xiàn)[30]中提出了兩種新型寬帶圓極化開槽微帶天線（分為圓形結(jié)構(gòu)和方形結(jié)構(gòu)），如圖22所示。天線由四個(gè)作為寄生元件的貼片、一個(gè)圓形/方形環(huán)缺陷地和四個(gè)蝕刻在圓形/方形缺陷地上的槽組成。首先，四個(gè)槽和環(huán)耦合激發(fā)一種圓極化模式，而后引入寄生貼片又增加了另一種圓極化模式。這些圓極化模式相結(jié)合提高了天線的軸比帶寬。如圖23所示，天線最終選定為圓形結(jié)構(gòu)，具有20.6%的軸比帶寬(5.20-6.40，5.8GHz)和25.8%的阻抗帶寬(4.92 -6.38，5.65 GHz)。如圖24所示，可用于無(wú)線局域網(wǎng)(5.725-5.85 GHz)、ITS (5.8 GHz)和WIFI(5.85-5.925 GHz)頻段。

圖22 文獻(xiàn)[30]中的天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖23 文獻(xiàn)[30]中的天線圓形結(jié)構(gòu)仿真與測(cè)量數(shù)據(jù)

圖24 文獻(xiàn)[30]中的天線方形結(jié)構(gòu)仿真與測(cè)量數(shù)據(jù)

4.4 引入有源或無(wú)源器件

如圖25 所示，Rui Xu 等人提出了一種基于“Γ”形輻射貼片、圓形缺陷地并且加載電阻的縫隙天線[20]。與之前的縫隙圓極化天線[31-33]相比，該天線具有更寬的阻抗帶寬、更寬的軸比帶寬、相對(duì)較小的尺寸和最低的天線輪廓。該天線利用在圓形地面上切割的三個(gè)橢圓縫隙來(lái)產(chǎn)生圓極化特性。其獨(dú)特的創(chuàng)新之處是通過(guò)添加片式電阻來(lái)接收電流和減少反射，可顯著提高圓極化帶寬。在天線底部增加反射板可成為具有單向輻射的超寬帶圓極化縫隙天線。如圖26 所示，測(cè)量結(jié)果表明天線的阻抗帶寬為106.1% (1.01-3.29 GHz)，軸比帶寬為89.7% (1.26-3.31 GHz)。

圖25 文獻(xiàn)[20]中的天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖26 文獻(xiàn)[20]中的天線實(shí)物圖和數(shù)據(jù)

如圖27 所示，Ankit Bhattacharjee 等人提出了一款寬帶極化可重構(gòu)圓極化微帶天線[34]。由一個(gè)帶有間隙的金屬環(huán)和一個(gè)通過(guò)添加枝節(jié)、開槽而改進(jìn)的地平面構(gòu)成。該天線引入兩個(gè)二極管來(lái)控制極化狀態(tài)，通過(guò)控制二極管的偏置狀態(tài)，可以獲得左旋圓極化、右旋圓極化和線性極化。如圖28 所示，測(cè)試結(jié)果表明，天線在加載偏置電路后，可以在所有工作狀態(tài)下獲得超過(guò)50%的有效帶寬。

圖27 文獻(xiàn)[34]中的天線實(shí)物圖

圖28 文獻(xiàn)[34]中的天線仿真與測(cè)量數(shù)據(jù)

文獻(xiàn)[35]提出了一種適用于2.4/5.3/5.8 GHz WLAN和3.5 GHz WiMAX應(yīng)用的四頻帶圓極化天線，如圖29所示。在2.4/3.5/5.8 GHz頻段工作的三種圓極化模式主要通過(guò)由一個(gè)倒“U”形輻射貼片、額外的“I”形與“L”形枝節(jié)和矩形缺陷地組成的微帶天線實(shí)現(xiàn)，三種貼片都圍繞水平軸旋轉(zhuǎn)45度。通過(guò)在天線下放置一個(gè)簡(jiǎn)單的方形金屬貼片頻率選擇面(FSS)，將5.3 GHz的線極化信號(hào)轉(zhuǎn)換為圓極化信號(hào)，形成了四波段圓極化天線。如圖30所示，測(cè)得天線的阻抗帶寬為380 MHz (2.37-2.75 GHz)和4.6 GHz (3.4-8 GHz)。天線的軸比帶寬分別為5.4%(2.35-2.48 GHz)、8.3% (3.45-3.75 GHz)、3.7% (5.25-5.45 GHz)和2.9% (5.7-5.87 GHz)。

圖29 文獻(xiàn)[35]中的天線實(shí)物圖

圖30 文獻(xiàn)[35]中的天線仿真與測(cè)量數(shù)據(jù)

Mohammad Ameen 等人提出了一種具有各向異性的線極化到圓極化轉(zhuǎn)換器(Linear-to- Circular Polarization Converter，LTC-PC)的緊湊型微帶天線，實(shí)現(xiàn)了三頻段圓極化[36]。天線實(shí)物圖如圖31所示，該天線將緊湊的三波段線極化天線與基于三波段的LTC-PC相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了三頻段圓極化輻射。到目前為止，只有少數(shù)基于LTC-PC 的單頻天線被報(bào)道。與現(xiàn)有的單頻、雙頻和三頻段圓極化天線相比，該天線在設(shè)計(jì)中不使用任何通孔工藝，沒(méi)有設(shè)計(jì)復(fù)雜性，拓展了阻抗帶寬和軸比帶寬。如圖32 所示，三頻段中心頻率分別為2.38 GHz、3.44 GHz 和5.5 GHz。分別提供13.0%、18.2%和14.7%的阻抗帶寬。該天線的軸比帶寬分別為3.53%、1.73%和13.62%。

圖31 文獻(xiàn)[36]中的天線實(shí)物圖

圖32 文獻(xiàn)[36]中的天線仿真與測(cè)量數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

目前，基于單點(diǎn)饋電法的微帶天線圓極化改進(jìn)技術(shù)發(fā)展較為迅速。每種方法在拓寬天線工作帶寬、提高圓極化性能方面都有顯著效果。例如，寬縫結(jié)構(gòu)本身就具有寬帶的特性，通過(guò)改變饋線和缺陷地縫隙的結(jié)構(gòu)形狀，可以擴(kuò)寬天線圓極化帶寬；微帶單極子結(jié)構(gòu)的天線不僅結(jié)構(gòu)緊湊，易于加工，并且同樣具有寬阻抗帶寬的特性，通過(guò)對(duì)輻射貼片和接地面引入微擾元素來(lái)擾動(dòng)天線表面電流分布，從而形成圓極化；通過(guò)引入寄生貼片可以改變天線的電感、電容和輻射電阻等參數(shù)，拓寬天線的帶寬，對(duì)輻射主體進(jìn)行饋電時(shí)，寄生貼片通過(guò)耦合輻射主體上的能量，產(chǎn)生新諧振模式，從而達(dá)到展寬圓極化帶寬的目的；而加載其他器件來(lái)提高圓極化性能的方式是如今的研究熱點(diǎn)，它既利于天線實(shí)現(xiàn)多種諧振和極化模式，又可以使天線更容易集成于系統(tǒng)中，拓寬天線的實(shí)際應(yīng)用范圍。隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的不斷完善和應(yīng)用需求的持續(xù)增加，多頻段及寬帶圓極化微帶天線的研究也會(huì)得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，因此，在未來(lái)的研究中，微帶天線的圓極化改進(jìn)技術(shù)會(huì)有更加廣泛的應(yīng)用前景。