1 引言

    微帶縫隙天線有很多種，而其中之一就是環(huán)形微帶縫隙天線。一般情況下，它的結(jié)構(gòu)都是比較固定的，即通過在介質(zhì)基片的接地板上刻蝕出圓環(huán)形縫隙，并由微帶線在介質(zhì)基板另一側(cè)對(duì)該環(huán)形縫隙耦合饋電。環(huán)形縫隙天線之所以能夠被廣泛地應(yīng)用，得益于同心的環(huán)形縫隙陣能夠獲得一致的定向性且環(huán)縫之間耦合較小，所以常用來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻天線和組陣。傳統(tǒng)的環(huán)形縫隙天線輻射的是線極化波，可以通過下式大概的計(jì)算出它的諧振頻率：

公式1 諧振頻率計(jì)算公式

    傳統(tǒng)的環(huán)形縫隙天線產(chǎn)生的是線極化場(chǎng)，若在環(huán)縫上引入“分離簡(jiǎn)并單元”，或是采用等幅相位相差90°的雙饋，則也可實(shí)現(xiàn)圓極化，這和微帶貼片天線是一樣的。微帶環(huán)形縫隙天線的方向圖在不添加反射板時(shí)是雙向輻射的，它比微帶貼片天線的帶寬更寬，且寄生輻射和表面波激勵(lì)都不嚴(yán)重。對(duì)制造公差的敏感性，微帶縫隙天線要比微帶貼片天線好很多。

2 雙頻雙圓極化微帶縫隙天線的設(shè)計(jì)

    在前期的設(shè)計(jì)中，通過采用環(huán)形縫隙結(jié)構(gòu)我們成功實(shí)現(xiàn)了一個(gè)雙頻圓極化微帶天線，該天線在兩個(gè)頻段均為左旋圓極化，而在實(shí)際應(yīng)用中，手機(jī)等無(wú)線終端設(shè)備為了達(dá)到減小尺寸這一目標(biāo)，一般都采用線極化的天線，因?yàn)榧词共捎镁�極化天線也能滿足基本需求。我國(guó)現(xiàn)在使用的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，就是一個(gè)很成功的范例，并且目前該系統(tǒng)已經(jīng)開始為別的國(guó)家提供服務(wù)。

    該系統(tǒng)與GPS等早先建成的幾大衛(wèi)星定位系統(tǒng)的不同之處之一在于它具有短報(bào)文通信功能，也就是說，終端設(shè)備與衛(wèi)星之間可以進(jìn)行雙工通信，而GPS等定位系統(tǒng)的終端設(shè)備僅僅是一個(gè)接受衛(wèi)星信號(hào)的設(shè)備。這也使得北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兩個(gè)工作頻段分別僅用于發(fā)射和接受信號(hào)，即一個(gè)是上行頻段（1.600~1.616GHz），另一個(gè)是下行頻段（2.485~2.500GHz）。而且為了進(jìn)一步降低干擾，兩頻段的圓極化旋向相反，上行頻段采用的是左旋圓極化，而下行頻段采用的是右旋圓極化。這就需要設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)雙頻雙圓極化的天線，所謂雙圓極化就是指在天線兩個(gè)工作頻段上的圓極化旋向相反，旋向相反的雙頻圓極化天線很難采用雙饋的方式實(shí)現(xiàn)。本節(jié)在前期設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上采用類似的同心環(huán)形微帶縫隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的雙頻雙圓極化天線，對(duì)天線的性能進(jìn)行了研究和分析，并給出了仿真與測(cè)試結(jié)果。

    其設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：

    工作頻段：BD1：1.600~1.616GHz BD2：2.485~2.500GHz

    輸入阻抗：50Ω

    駐波比：≤2

    極化方式：BD1頻段左旋圓極化，BD2頻段右旋圓極化

    軸比：≤3dB

2.1天線的結(jié)構(gòu)

    天線結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，為印刷在介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)板上、由階梯微帶線從背面耦合饋電的環(huán)形微帶縫隙天線，但采用了結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單的兩個(gè)同心環(huán)形縫隙。天線外環(huán)縫隙在相對(duì)x軸135°和315°處向外刻蝕有一對(duì)方形槽，內(nèi)環(huán)縫隙則在相對(duì)x軸45°和225°處向內(nèi)刻蝕有一對(duì)方形槽。外環(huán)兩刻蝕槽的連線與內(nèi)環(huán)兩刻蝕槽的連線相互正交，以獲得兩個(gè)頻段處相反旋向的圓極化波。

    在雙頻雙圓極化天線的設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)潔性是十分重要的，究其原因就是天線的尺寸參數(shù)不同對(duì)其性能的影響并非獨(dú)立的，也就是說某些參數(shù)主要影響天線的阻抗匹配性能，但也會(huì)對(duì)其圓極化性能產(chǎn)生一定的影響，因此每減少一個(gè)參數(shù)，參數(shù)調(diào)節(jié)的工作量都會(huì)大幅下降。天線的尺寸參數(shù)越少，則天線越容易調(diào)試，也越具有通用性，可以較為容易的移植到其它頻率使用。因此采用結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單的環(huán)形縫隙對(duì)于雙頻雙圓極化的實(shí)現(xiàn)更為有利。圖中各部分尺寸大小如表1所示。

表1 雙頻雙圓極化微帶縫隙天線尺寸（單位：mm）

圖2-1 天線結(jié)構(gòu)

2.2天線參數(shù)的分析

    本節(jié)提出的雙頻雙圓極化微帶縫隙天線結(jié)構(gòu)均擁有多個(gè)幾何參數(shù)。天線的兩個(gè)工作頻段大體上由內(nèi)外兩個(gè)環(huán)形縫隙所決定。在根據(jù)頻率確定兩環(huán)形縫隙的半徑之后，需要調(diào)整一些關(guān)鍵參數(shù)以獲得理想的雙頻雙圓極化特性。所以，我們必須從由參數(shù)變化引起的天線阻抗匹配以及圓極化性能的改變開始研究，然后得到最佳理想的結(jié)果。

    Ls是微帶饋線終端開路短截線的長(zhǎng)度。在前期的設(shè)計(jì)中，我們了解了微帶線縫隙耦合饋電的原理，該開路短截線的長(zhǎng)度決定了其引入的電抗大小，從而影響最終的阻抗匹配。我們還根據(jù)仿真的結(jié)果，得出了Ls的變化會(huì)影響高低頻段的反射系數(shù)。當(dāng)然，它們之間存在不同點(diǎn)。在低頻段，Ls的變化引起反射系數(shù)在大小上的整體變化，而在高頻段，Ls的變化帶來(lái)的則是反射系數(shù)相對(duì)于頻率的平移。通過觀察天線軸比曲線的變化情況時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，Ls對(duì)于圓極化性能的影響在高頻段顯得尤為明顯，軸比曲線隨Ls的增大略微向低頻平移，Ls的變化對(duì)于低頻段圓極化性能的影響則可以忽略不計(jì)�？傮w上看，微帶饋線終端開路短截線的長(zhǎng)度Ls對(duì)于天線阻抗匹配的影響要大于其對(duì)圓極化性能的影響。

    t和s分別是天線內(nèi)外環(huán)形縫隙上方形刻蝕槽的邊長(zhǎng)�？涛g槽實(shí)際上也是一種“分離簡(jiǎn)并單元”，其作用是激勵(lì)起兩個(gè)輻射正交極化的簡(jiǎn)并模從而實(shí)現(xiàn)圓極化，因此其尺寸大小主要決定天線的圓極化性能。但刻蝕槽的大小并非對(duì)于天線的阻抗匹配就沒有影響�？梢灶A(yù)見，刻蝕槽的尺寸越大，環(huán)形縫隙的平均周長(zhǎng)就越大，環(huán)形縫隙的諧振頻率就越低。然而，刻蝕槽的尺寸大小與于天線圓極化性能之間存在的關(guān)系，仍是我們必須關(guān)注的。我們根據(jù)前期設(shè)計(jì)的仿真圖形，可以得出，當(dāng)刻蝕槽邊長(zhǎng)取值向大或向小偏離某最優(yōu)值時(shí)，軸比均產(chǎn)生整體上的惡化。

3 模型的建立與仿真

3.1天線的模型

    根據(jù)前期的設(shè)計(jì)思路和具體的數(shù)據(jù)，在HFSS軟件上畫出雙頻雙圓極化微帶縫隙天線的模型圖。剛開始做出來(lái)的模型，效果不太好，為了后期的仿真結(jié)果更加符合實(shí)際情況，對(duì)模型進(jìn)行了很多次的修改，最后的模型3-1中兩個(gè)圖形所示，分別呈現(xiàn)的是模型的上表面以及下表面的情況。

圖3-1 天線的模型

3.2天線的仿真

    在天線相關(guān)性能的描述中，S參數(shù)是一個(gè)非常常見且十分重要的概念，它可以從一定的程度上反映出天線性能的好壞。正常而言，我們都參考S₁₁的值，通過觀察它的大小，來(lái)分析相關(guān)天線的性能好壞。當(dāng)S₁₁的值很大的時(shí)候，就證明天線的性能很一般。因此，我們就希望得到的S₁₁的值很小，這也就代表著設(shè)計(jì)的可行性。天線的駐波比描述的是天線的匹配狀況，當(dāng)天線的匹配情況不好時(shí)，反射的功率就多，駐波比越大，駐波比數(shù)值在1到無(wú)窮，一般工業(yè)要求駐波比小于2即可。

    前期的仿真，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的不嚴(yán)謹(jǐn)、操作的不科學(xué)以及沒有進(jìn)行優(yōu)化等，仿真結(jié)果跟理想狀態(tài)相去甚遠(yuǎn)，完全達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，如下圖3-2所示的是前期的仿真結(jié)果圖。設(shè)計(jì)的是雙頻天線，但是在S₁₁上，我們卻得到了三個(gè)頻段，這一結(jié)果，明顯不符合設(shè)計(jì)要求。

    考慮到具體的實(shí)際情況，通過不斷地分析比較，得到了上表1中的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)，不斷對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，最終得到了圖3-3所示的回波損耗以及駐波比的仿真圖。

圖3-2 優(yōu)化前的曲線

圖3-3 優(yōu)化后的回波損耗以及駐波比的仿真曲線

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本文標(biāo)題：一種小型化雙頻圓極化微帶天線設(shè)計(jì)（上）

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