宽带圆极化单极天线的设计

韩丽萍，邢亚龙，王五一

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)



宽带圆极化单极天线的设计

韩丽萍，邢亚龙，王五一

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

本文设计了一个宽带圆极化单极天线.天线的辐射单元采用C型结构，使天线的基模分解成两个正交的简并模，从而实现圆极化.通过在接地板增加一个枝节，改善了天线的阻抗带宽和轴比带宽.仿真和测量结果表明：天线可以工作在3.4～3.6 GHz的WiMAX频段，天线阻抗带宽为44.4% (2.89～4.54 GHz)，轴比带宽为29.1% (3.12～4.18 GHz).

宽带；圆极化；单极天线；阻抗带宽；轴比带宽

随着无线通信系统的迅猛发展，需要满足通信质量和通信容量的需求，提高通信抗干扰能力，圆极化天线由于其收发独立性、多径反射低等特点引起了广泛的关注[1].P.C.Sharma采用切角方法设计了圆极化微带天线[2].D.C.Seo利用两个开口环结构的线极化天线层叠组合设计了圆极化微带天线[3].文献[4]提出了一种圆极化单极天线，天线使用Y型结构，通过调整Y型结构两个臂长来得到90°相位差从而产生圆极化模式.C.J.Wang提出了一种共面波导单极天线[5].但是这些天线的3dB轴比带宽比较窄，并不能在实际应用中发挥很好的作用.

为了满足无线通信系统的高数据传输率要求，国内外学者提出了宽带圆极化天线的设计方案.文献[6]提出了一种用L型条带馈电并加载短路针的方法将天线的轴比带宽提高到16.9%.W.L.Quan等利用多层结构将轴比带宽提高到了16.8%[7].文献[8]提出了一种L型单极天线，其轴比带宽达到了23%.文献[9]提出了一种在切角贴片周围放置矩形寄生单元的方法，使天线的轴比带宽达到了24%.文献[10]提出用功分器作为馈电网络的方法，使轴比带宽达到了28%.然而这些天线在拓宽带宽的同时却以牺牲尺寸为代价.因此，设计小型化天线和宽带天线仍是天线设计者们面临的挑战.

本文设计了一种宽带圆极化单极天线.天线的辐射单元采用C型结构，基模分解成两个正交的简并模，从而实现圆极化.通过在接地板上加一个枝节实现了阻抗带宽和轴比带宽的改善.实测的阻抗带宽为44.4 %(2.89～4.54 GHz)，轴比带宽为29.1%(3.12～4.18 GHz)，结果表明天线可以工作在3.4～3.6 GHz的WiMAX频段.

1　圆极化单极天线

圆极化单极天线的结构如图1所示.天线包括3层，上层为天线的辐射单元以及50 Ω微带馈线，中间层为介质基板，下层为天线的接地板.辐射单元采用C型结构，这种结构可以使天线在x方向以及y方向上产生两个相位差为90°的正交线极化模式，从而实现圆极化.选用相对介电常数为4.4，厚度为1.6 mm 的FR4介质基板.利用三维电磁仿真软件HFSS进行仿真分析，优化的参数为：L=W=40 mm，l1=10.5 mm，l2=l3=24 mm，l4=8 mm，lf=12 mm，wf=3 mm，w1=3 mm，d=1 mm.图2是圆极化单极天线的反射系数曲线和轴比曲线，从中可以看出，天线的阻抗带宽是45 % (2.95～4.7 GHz)，轴比带宽是26% (3～3.9 GHz).

图1　圆极化单极天线结构示意图Fig.1　Configuration of circular polarized monopole antenna

图2　反射系数和轴比曲线Fig.2　Reflection coefficients and axial ratio

图3　天线在3.5 GHz时电流分布Fig.3　Current distribution of antenna at 3.5 GHz

为了说明天线产生圆极化辐射的原理，图3给出天线在3.5 GHz，相位分别为0°，90°，180°，270°时的表面电流分布.从中可以看出，电流随着相位的增加逆时针旋转，形成了右旋极化.如果想要得到左旋极化，将天线辐射单元沿x方向反向放置即可.

通过对天线进行敏感性分析，发现天线的辐射单元与接地板之间的距离是影响天线性能的主要因素.图4，图5分别是d对天线反射系数和轴比的影响.从中可以看出，天线的阻抗带宽和轴比带宽会随着d的增大而增大.但是，当d增大到2 mm时，天线的阻抗带宽在3.75 GHz附近的反射系数会大于-10 dB.

图4　d变化时的反射系数Fig.4　Reflection coefficients for different d

图5　d变化时的轴比Fig.5　Axial ratio for different d

2　宽带圆极化单极天线

宽带圆极化单极天线的结构如图6所示.天线结构与第1节设计的圆极化单极天线基本相同，不同之处是在接地板上增加了一个枝节，参数优化后只有辐射单元与接地板之间的距离改变，具体参数为：d=2 mm，ds=3 mm，ls=8 mm，ws=3 mm.图7是接地板有无枝节时天线的反射系数曲线和轴比曲线.由图7可见，天线的阻抗带宽由45% (2.95～4.7 GHz) 增加到了47% (2.89-4.72 GHz)，轴比带宽由 26% (3～3.9 GHz) 增加到30% (2.96～4.02 GHz).

图6　宽带型圆极化单极天线结构示意图Fig.6　Configuration of wideband circular polarized antenna

图7　有无枝节时的反射系数Fig.7　Reflection coefficients and axial ratio with/without stub

通过对天线进行敏感性分析，发现枝节的位置及长度对天线性能的影响较大.为了便于结果分析，在考察每个参数的影响时，其他参数保持不变.图8是ds对天线反射系数以及轴比的影响.从图8(a) 中可以看出，随着ds增加，天线的最高谐振频率向上偏移，而最低谐振频率几乎不变.从图8(b) 中可以看出，当 ds=3 mm时天线的轴比带宽达到最大.图9是ls对天线反射系数以及轴比的影响.由图9可见，随着ls的变化，天线的阻抗带宽几乎不变.ls对轴比影响较大，为了得到最大的轴比带宽，选取ls=8 mm.

图8　ds对天线性能的影响Fig.8　Effect of ds on antenna performance

图9　ls对天线性能的影响Fig.9　Effect of ls on antenna performanc

3　仿真和实测结果

天线印制在相对介电常数为4.4的FR4介质基板上，图10是天线的实物图.采用Agilent公司N5230A矢量网络分析仪测量天线的反射系数，采用Lab-Volt公司8092型自动天线测量系统测量天线的轴比.

图10　天线实物图Fig.10　Photos of antenna

图11是天线反射系数曲线的仿真和测量结果.从中可以看出仿真和测量结果很好地吻合，仿真的阻抗带宽是47% (2.89～4.72 GHz)，实测的阻抗带宽是44.4 % (2.89～4.54 GHz).图12是天线轴比曲线的仿真和测量结果.可见，仿真和测量结果基本吻合，实测的轴比带宽是29.1% (3.12～4.18 GHz).与仿真结果相比，实测的轴比数据整体向上偏移，这主要是由于SMA接头、介质基板的介电常数不精确以及加工误差引起的.

图11　仿真和测量的反射系数Fig.11　Simulated and measured reflection coefficients

图12　仿真和测量的轴比Fig.12　Simulated and measured axial ratio

4　结　论

本文设计了一个宽带圆极化单极天线.为了实现圆极化，天线的辐射单元采用C型结构，这种结构使天线的基本谐振模式分解成两个正交的简并模，从而实现圆极化.通过在接地板上增加一个枝节，改善了天线的阻抗带宽和轴比带宽.该天线具有低成本，结构简单，容易加工等特点.实测结果表明，天线可以工作在3.4～3.6 GHz的Wimax频段，性能满足实际应用要求.

[1]Yasin T,Baktur R.Circularly polarized meshed patch antenna for small satellite application[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2013,12：1057-1060.

[2]Sharma P C,Gupta K C.Analysis and optimized design of single feed circularly polarized microstrip antennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1983,6：949-955.

[3]Seo D C,Sung Y.Stacked open-loop square ring antenna for circular polarization operation[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2015,14：835-838.

[4]Ghobadi A,Dehmollaian M.A printed circularly polarized Y-shaped monopole antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2012,12：22-25.

[5]Wang C J,Lin W C.New CPW-fed monopole antennas with both linear and circular polarisations[J].IET Microwaves Antennas Propagation,2008,2：466-472.

[6]Wu J J,Ren X S,Wang Z D,et al.Broadband circularly polarized antenna with L-shaped strip feeding and shorting-pin loading[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2014,63：785-790.

[7]Quan W L,Wong H,Zhang X Y,et al.Printed meandering probe-fed circularly polarized patch antenna with wide bandwidth[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2014,13：654-657.

[8]Mousavi P,Miners B,Basir O.Wideband L-shaped circular polarized monopole slot antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2010,9：822-825.

[9]Wu J J,Yin Y Z,Wang Z D,et al.Broadband circularly polarized patch antenna with parasitic strips[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2015,14：559-562.

[10]Kumar T,Harish A R.Broadband circularly polarized printed slot-monopole antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2013,12：1531-1534.

Design of Broadband Circularly Polarized Monopole Antenna

HAN Liping,XING Yalong,WANG Wuyi

(College of Physics and Electronics Engineering,Shanxi University,Taiyuan 030006,China)

A broadband circularly polarized monopole antenna is proposed in this paper.To realize circularly polarized radiation,a C-shaped element is used,which can split the fundamental mode into two orthogonal near-degenerate degenerate modes.By adding a stub on the ground,both the impedance bandwidth and the axial ratio bandwidth could be improved.The simulated and measured results show that the proposed antenna can operate at Wimax bands (3.4 GHz～3.6 GHz).The impedance bandwidth of the antenna is 44.4% (2.89 GHz～4.54 GHz),and the 3 dB axial ratio bandwidth is 29.1% (3.12 GHz～4.18 GHz).

broadband; circularly polarization; monopole antenna; impedance bandwidth; axial ratio bandwidth

1671-7449(2016)05-0417-05

2016-02-27

国家自然科学基金资助项目(61172045)；国家基础科学人才培养基金资助项目(J1210036)；山西省自然科学基金资助项目(2012011013-3)

韩丽萍(1970-)，女，副教授，主要从事微带天线的研究.

TN821+.3

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7449.2016.05.009