宽带圆极化天线设计探究

吴胜杰,丁杰

贵州航天电子科技有限公司,贵州贵阳550025

摘要：圆极化天线相比于线极化天线具有减少极化不匹配、降低多径干扰和遏抑法拉第旋转效应等优点，因此，本文旨在对低剖面宽带圆极化天线进行研究，以满足先进移动通信和卫星通信等系统的需求，该研究具备广阔的应用前景。

关键词：宽带圆极化；天线设计；

1 宽带圆极化天线优势分析

1.1圆极化天线可以有效降低多径干扰效应带来的影响

在电磁波的传播路径中，除了空气之外还存在大型建筑、地面和高山等物体，当电磁波遇到这些物体后会发生反射和透射等现象，电磁波的强度、方向和极化等属性可能会发生一定的改变。这些电磁波的变化都会对无线通信系统的传输质量造成一定的影响，使信息的有效传递面对极大的挑战，相对于线极化天线，圆极化天线可以很好的应对这些挑战。

1.2圆极化天线可以有效降低法拉第效应带来的影响

在卫星通信中，当电磁波穿过电离层时，电离层中离子化的带状区域会使电磁波的极化角度发生偏转，对低频工作的电磁波影响尤为明显。这种极化角度的偏转对线极化电磁波的影响是巨大的，很有可能导致线极化的接收天线无法有效的接收信号，而圆极化电磁波由于其自身具有自旋方向的原因，可以极大的减少法拉第效应对其的影响。

1.3 圆极化天线可以有效的应对极化失配现象以提高信号质量

在天线装配过程中，线极化天线需要严格的进行固定角度的装配，而圆极化天线在装配过程中，发射天线和接收天线之间不需要严格的按照角度进行装配。这是因为线极化天线如果没有按照固定角度进行装配时，天线工作过程中会出现极化失配的现象，导致信号质量变差甚至无法接收信号，而圆极化天线由于其具有自旋的特点，则不需要特别担心这个问题。圆极化天线可以有效的应对极化失配现象以提高信号质量。因为圆极化电磁波可以分解为两个相互正交的线极化波（振幅相同，相位正交），即圆极化电磁波可以由两个相互正交的线极化波组成。因此，圆极化天线可以有效的对线极化电磁波进行接收，从而在一定程度上减弱天气和多径反射等干扰，广泛的应用于雷达和卫星等通信系统中。在雷达通信系统中，圆极化天线可以比线极化更容易、更准确的检测到敌方目标，从而准确定位目标；在卫星通信系统中，圆极化天线可以减弱法拉第效应和极化失配带来的影响，实现信号的高效传输。另外，在复杂的通信系统中，低剖面天线在实际应用场景中有着更大前景，对于空气动力学和外观的应用场景更是如此。

2 宽带圆极化天线设计

2.1 单极子天线的设计和特征模分析

在整个设计过程中，采用“减法”的思想对产生的简并模进行调控，在所需频率下满足了圆极化特性。同时，在时域求解器中对特征模分析的结果进行了模拟和验证。

2.1.1 圆极化单极子天线的特征模分析

圆极化单极子天线是建立在时域求解器和多层求解器的仿真设计基础之上，特征模分析的仿真过程使用的是多层求解器以对导体结构的特征参数进行求解。求解频率范围为1-10 GHz，求解的特征模式为5个，特征模式在5.5 GHz 处排列，所有的边界条件均为开放式边界条件；仿真过程中介质基板选择国产F4B 材料，它的介电常数为2.2，损耗角正切为 0.0009，厚度为1.5 mm。利用特征模分析实现圆极化的方法分为三步：第一；设计正交模态（简并模），第二；实现模式显著性相等，第三；实现特征角相差90°。基于此，使用特征模分析进行圆极化天线设计的思路为：第一步，构造简并模，第二步，多模调控，第三步，模式激励。

2.1.2 圆极化单极子天线的馈电设计与参数分析

如图 1a）所示，被设计的单极子天线由上层的新月形辐射贴片（R=13.5 mm，D=22.9 mm）和微带传输线（T=8.75 mm）结构构成，中间是介质基板（P=40 mm，H=1.5mm），底部为部分金属接地板（G=9 mm）。对天线的主要参数进行分析有利于完善天线的性能，并且增加对天线结构工作原理的理解，这里主要讨论 S 参数曲线、轴比带宽与馈电位置（T）之间的关系。根据之前的分析可以知道，馈电位置对模式激励起着重要作用，不同的馈电位置会激励出不同的特征模式，从图 1（b）中可以发现馈电位置的改变对天线的阻抗带宽和轴比带宽都有较大的影响，在 6.2 GHz 附近实现了圆极化特性。此时，这个时域求解器的设计结果与特征模分析进行预测的结果有些偏差，主要原因除了求解模式不同、材料设置不同和边界不同等原因之外，还因为新月形结构比矩形结构更加复杂，所以两种仿真结果存在一定的偏差。

图 1性能分析 （a）结构；（b）S11-AR

2.2 基于特征模分析的宽带圆极化天线设计

2.2.1 宽带圆极化天线的结构介绍圆极化天线的整体结构

如图2所示，黄色表示金属导体，蓝色表示介质基板。天线为典型的三明治结构，顶层为带有传输线（T=4.4 mm）的新月形单极子结构（R1=12.8mm，D1=18.75 mm），底层为新月形开槽结构（R2=16 mm，D2=16.7 mm），二者呈互补结构，中间层为介质基板（H=1.5 mm），整体尺寸为 38 mm x 38 mm x 1.5 mm（P=38mm）。关于介质基板的选择，通过研究发现，比如当介电常数选择较大的时候，天线的阻抗带宽就会变窄，也就是说大的介电常数对应窄的阻抗带宽，同理，小的介电常数对应宽的阻抗带宽；厚的介质基板往往可以带来更大的带宽，但是可能会存在表面波来影响天线特性，如果介质基板太薄则会影响天线的增益等辐射特性。

图 2天线结构 （a）顶层；（b）底层

从图 2 中可以知道，天线的顶层有一个新月形的导体结构，导体结构直接与微带线相连，对于顶层的导体结构属于直接式馈电方法，在测试和应用过程中，通过对微带线的直接馈电实现对顶层导体结构的激励；天线的底层是一个新月形的开槽结构，它并没有与馈线直接进行连接，对于底层的导体结构属于间接式馈电方法，在测试和应用过程中，这种导体结构往往是通过电磁耦合的方式进行激励；因此，不难想到，被设计的天线存在两种激励形式使它工作，顶层的导体结构通过微带线直接进行馈电，另外，顶层的导体结构和微带线可以同时对底层的开槽形导体结构进行间接馈电，这种设计方法仅需要对顶层的导体结构进行馈电就可以使顶层和底层的导体结构同时进行工作。

2.2.2 宽带圆极化天线的特征模分析

结合宽带技术，从接地板入手，对接地板进行设计和分析。通过分析后，决定不再采用单极子天线的部分接地板形式，而是使用全金属接地板进行设计。然而，全金属接地板的设计与全开放边界条件相悖，如果直接采用全金属接地板设计，天线的性能将会有巨大改变，甚至需要对导体结构的特征参数进行重新分析。因此，在接地板的设计上，需要在保证开放边界条件的同时，还要保留部分接地板的结构来给微带线提供传输电磁波的条件。

2.3 宽带圆极化天线的加工与测试

本文所设计的的宽带圆极化天线进行实物加工，天线的加工实物如图 3（a）所示。为了验证所设计的天线的仿真结果，使用性能网络分析仪（Performance NetworkAnalyzer，PNA-L Network Analyzer, N5234A）对天线的电性能进行了测试，测试结果如图 3（b）表示，天线的相对阻抗带宽为122.2%（2.67 GHz 到 11.05 GHz），仿真的相对阻抗带宽为 118.5%（2.87GHz 到 11.22 GHz）仿真结果与测试结果基本一致。

图3天线测试 （a）结构；（b）S11

    结论

综上所述，本论文关于圆极化天线的设计仅仅是对发射或者接收的极化电磁波进行了设计，除了极化特性，增益、波束宽度、全向辐射等其他天线性能都可以与圆极化天线进行结合。在未来的研究，可以对特征模理论进行更深入的研究以期使用特征模理论进行更多关于天线特性方面的研究。

参考文献：

[1] 王闻炜,陈春红,王培阳,等.一种全向圆极化滤波微带天线的设计[J]. 微波学报, 2021.

[2] Jin H, Nie S, Wang W, et al. A broadband single‐fed circularly polarized patch filtenna with high suppression level[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2022, 64(08): 1394-1400.

[3]王建,郑一农,何子远.阵列天线理论与工程应用[M].电子工业出版社,2015.