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紧凑的圆极化贴片天线的宽轴比波束宽度
Meng-Shuang Wang , Xiao-Qi Zhu , Yong-Xin Guo , Fellow, IEEE, and Wen Wu , Senior Member, IEEE
摘要：本文展现了一个具有紧凑的圆极化宽轴比（AR）波束宽度的贴片天线。仿真结果表明，通过对两对非对称槽的刻蚀，可以实现非对称槽的贴片刻蚀，以及同时实现加载耦合条带。并且该天线的辐射正交场之间的相位差变得平坦，保持在大约90°角宽的范围不变。因此，这是一个较宽的轴比波束宽度。实验结果与仿真结果吻合较好，特别是该天线实现了广泛的轴比波束宽度。天线在主平面及对角平面皆实现了188°的宽轴比波束宽度。
关键词：轴比（AR）、圆极化天线（CP）、贴片天线
- 简介
圆极化（CP）天线得到了广泛的应用。在各种无线通信系统中，例如全球卫星导航系统、射频识别，这是因为它们可以有效的对抗极化失配和多径干扰[1]。对于圆极化天线具有宽3 dB轴比波束宽度的特点，其有利于实现信号的广泛覆盖。例如全球定位系统（GPS）需要3 dB的轴比波束宽度大于120°。现已经提出了几种扩大3 dB轴比波束宽度的方法。
- 轴比波束宽度可以通过使用三维地面平面，如锥体地面平面[2]、折叠导电墙[3]，和背腔反射器[4]。然而，三维地平面将导致庞大的结构，这通常难以实施。第二，轴比波束宽度可以通过加载寄生元素(如方环)增强[5]，[6]，圆柱单极[7]，和顶端负载单极子天线[8]，它们围绕主散热器激发垂直电场组件。在[9]中，四个垂直的顶帽元素是直接地加载到两个领结偶极子以改善轴比波束宽度，但是这种天线需要额外的Wilkinson功率分配器提供正交相位。第三，采用两对平行电偶极子或磁偶极子构成正方形轮廓，并确定平行偶极子之间的间距需要大约0.45 lambda;0[10]-[13]，这很容易满足电偶极子的间距。在[10]中，3 dB轴比波束宽度为126°，是通过供给两双平行偶极子使用1到4网络实现的。此外，天线尺寸进一步缩小使用折叠偶极子[11]。然而，这两种天线都会发出信号不需要的双向辐射模式；另一方面，平行磁偶极子通常通过微带天线实现。在[12]中，使用悬浮基板进行调整有效介电常数和调谐谐振频率；因此，该谐振波长满足上述间距要求。在[13]中，正方形的谐振频率贴片天线通过加载短路引脚进行调谐。
本文介绍了一种新型的宽带压缩圆极化贴片天线，提出了一种基于轴比波束宽度的全球卫星导航系统（GPS）应用方案。该天线由一个开槽的正方形贴片与两对空带组成。仿真结果表明，通过加载耦合条带，在降低谐振频率的同时，也大大拓宽了轴比波束宽度。实验验证了该设计的有效性。
二、天线结构
图1展示了所提出的天线的几何形状，如图设计了一个F4BK350基板（ɛr = 3.5，tandelta; = 0.001)厚度为3毫米的天线。散热器由一个槽组成的正方形贴片和两对紧密连接在贴片上的条带组成，虽然这两对插槽的宽度与Ws1相同，但是由不同Lx1和Ly1的长度来激发两个简并正交圆极化辐射的模态。类似地，这两对条带Ws2宽度相同，Lx2和Ly 2长度不同。
条带通过四种金属短接在地面上半径为Rs的引脚，以及带与管之间的联轴器开槽贴片使电容加载以及短路销的作用作为感应加载[14]，同时天线由同轴馈电在(x0，y0)的对角线上来探测。
通过优化两对槽和条的长度，可以获得良好的圆极化天线性能。在图1中，长度(Lx1)的槽在x轴上比(Ly1)的槽轴长度长。因此所提出的天线在侧面辐射右旋圆极化波。所提天线的几何参数值遵循如下:Lx1 = 10.4mm，Dp = 1mm，Lx2 = 12.7mm，Ws1 = 10mm，Rs = 0.5mm，x0 = 3.2mm，y0 = 3.2mm，Ly1 = 9.9mm，Ly2 = 12.2mm，Wps = 2.7mm，Ws2 = 9.2mm，Wp = 35mm，Wg = 90mm。
图1
文中天线的几何形状：(a)顶视图。(b)侧视图。
图2（a）
图2（b）
图2所示，文中天线的仿真天线性能：
（a）|S11|和轴比波束宽度。
（b）1.575 GHz轴比波束宽度和相位差。
图3（a）
图3（b）
图3（c）
图3所示，仿真天线在不同长度耦合下的性能：
（a）侧面的|S11|和轴比波束宽度。
（b）当Lx2 = 6.8mm、Ly2 = 6.7mm时及天线工作在1.598 GHz的轴比波束宽度。
（c）当Lx2 = 9.7mm、Ly2 = 9.7mm时及天线工作在1.576 GHz的轴比波束宽度。
图4（a）
图4（b）
图4（c）
图4所示，耦合带仿真了在不同宽度Ws2下的天线性能。
（a）侧面的|S11|和轴比波束宽度。
（b）当Ws2 = 7.2mm时及天线工作在1.623 GHz的轴比波束宽度。
（c）当Ws2 = 8.2mm时及天线工作在1.611 GHz的轴比波束宽度。
图5（a）
图5（b）
图5（c）
图5所示，仿真了短路引脚Dp在不同位置下的天性性能：
（a）侧面的|S11|和轴比波束宽度。
（b）当Dp = 2mm时及天线工作在1.586 GHz的轴比波束宽度。
（c）当Dp = 3mm时及天线工作在1.597 GHz的轴比波束宽度。
三、仿真结果
图2展示了文中天线的仿真性能。仿真10 dB阻抗和3 dB轴比带宽为24 MHz（1.566-1.590 GHz）的天线，以及8 MHz（分别为1.570-1.578 GHz）的天线。最小的轴比为0.37 dB，且处于1.575 GHz的载波频段。图2（b）是仿真轴比波束宽度在不同的平面上为1.575 GHz的情况。可以看出，在两个主平面上仿真的3 dB轴比波束宽度为:ϕ = 0°、90°平面，比对角平面略宽，即ϕ = 45°、135°的平面时，仿真最小3 dB轴比波束宽度为190°、ϕ = 45°的平面。此外，仿真还显示在整个上半球面，仿真3 dB轴比波束宽度宽超过180°。以此来解释宽轴比波束宽度的辐射正交远场分量，即对Etheta;、Eϕ进行了研究。从一种传统的角截断圆极化天线中，发现了轴比波束宽度主要由相位差决定，而不是Etheta;和Eϕ之间的振幅比率。并且在有限的空间，只有Etheta;和Eϕ之间具有相位差，如图2（b）所示。可以看出，仿真的相位差之间的Etheta;、Eϕ非常平坦，并且维持大约在90°的角度范围，可见其角度范围广泛。
为了研究这种效应，我们进行了以一对耦合短条带为参数的研究。图3（a）为仿真结果|S11|和不同长度的侧向轴比波束宽度(Lx2和Ly2)的耦合带。在仿真过程中，短路引脚和带材外侧面的位置贴片与贴片之间的间距是多种多样的。此外，槽的长度和进料位置共同调整从而优化圆极化天线性能。当条带长度减小，谐振频率就增大。当Lx2 = 9.7mm，Ly2 = 9.7mm时，谐振频率与提出天线的结构几乎相同，这说明贴片和贴片之间的耦合仍然非常强。如图6所示，侧面测量（a）反射系数、轴比波束宽度和增益及（b）提出天线为1.575 GHz的载波频段。如图7所示，在主平面和对角线平面的不同仰角下，测量了1.575 GHz的轴比波束宽度。图3（b）为仿真轴比波束宽度在1.598 GHz的载波频段。当Lx2 = 6.8mm，Ly2 = 6.7mm时，如图3（c）所示：结果当Lx2 = 9.7mm和Ly2 = 9.7mm时，仿真天线在1.576 GHz的载波频段。由图3（b）、图3（c）、图2（b）比较可知，并且由仿真结果表明，该方法能通过增加带材长度有效地提高轴比波束宽度。图4为Ws2的耦合条带宽度在天线性能上的影响。
由图4（a）可知，随着Ws2的增加，短路带与贴片之间的耦合为谐振，并明显提高，同时谐振频率降低。与图3（a）相比，增加Lx2和Ly2以减小天线尺寸。图4（b）和（c）显示了仿真的轴比波束宽度在轴比频率的最小值，即Ws2 = 7.2mm时频率为1.623 GHz，；Ws2 = 1.611 GHz时，频率为1.623 GHz；当Ws2 = 8.2mm时，频率为1.623 GHz。可以看出，仿真轴比波束宽度随着Ws2的增加而增大。
图5为短路引脚Dp对天线性能的影响。随着Dp的增加，有效长度的耦合带减少，从而谐振频率降低，以及最小轴比频率增加。图5（b）和（c）的轴比波束宽度分别为1.586 GHz和1.597 GHz。可以看出，随着Dp的减小，仿真轴比波束宽度的增大会随之扩大。
四、测量结果
为了验证所提出的天线设计，我们制作了一个原型天线测量。图6为原型天线与测量的反射系数，在侧方向上的ARs（轴比宽度）和增益，以及其在1.575 GHz的辐射模式。该仿真结果与实测结果基本取得一致。测量到的10 dB阻抗带宽为27 MHz(1.563-1.590 GHz)，3 dB AR（轴比）带宽为10 MHz(1.570-1.580 GHz)。在GPS L1(1575plusmn;5 MHz)，测量的天线增益大于5.4 dB。图6（b）说明了左旋交叉极化的圆极化波（LHCP）比共化的右旋交叉极化的圆极化波（RHCP）低得多，并且波的角度范围很广。图7为实测ARs（轴比宽度）在1.575 GHz不同的仰角，可以看出所提出的天线可以达到3 dB AR（轴比）的波束宽度，并在这些平面至少达到了188°。
可以观察到，在列出的设计中，文中的天线具有较紧凑的结构和较宽的AR（轴比）波束宽度，尽管该设计具有较窄的阻抗和AR（轴比）。但由于其带宽较小，得到的结果足以覆盖目标应用程序。
图6（a）
图6（b）
（a）测量侧面反射系数、轴比波束宽度和增益。
（b）测量提出天线在1.575 GHz载波频段下的辐射模式。
图7
图7，在主平面和对角线平面上测量不同仰角下1.575 GHz的轴比波束宽度。
通过各种公布的性能比较工作，提出的天线如表1所示
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