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一种三频带圆极化方形缝隙天线的设计

Rui Xu, Jianying Li, Member, IEEE, Yang-Xiao Qi, Yang Guangwei, and Jiang-Jun Yang

摘要：在这篇文章中，提出了一种用于三频圆极化辐射的微带馈电方形缝隙天线。它由一个L形散热器和一个对角处有两个矩形条的框架下部地面结构组成。在下部地面的右侧矩形条上矩形切口主要用于拓宽上部带的轴比带宽（ARBW）。该天线在低频带和高频带辐射右旋圆极化波，并在中频带辐射左旋圆极化波。我们已经制造和测量该天线。仿真和测量之间达成了良好的一致性。测得的阻抗带宽为44.0％（2.34-3.66 GHz）和70.9％（4.55-9.55 GHz）。三频段测得的3dB轴比带宽分别为35.9％（2.40-3.45 GHz），44.0％（4.65-7.27 GHz）和6.3％（8.13-8.66 GHz）。在3dB轴比带宽内测量的峰值增益分别为4.2，3.7和3.5 dBic。

索引术语：圆极化（CP），缝隙天线，三种模式，三宽带。

一、导言

最近，圆极化（CP）天线因其良好的传播特性而受到更多关注。现代无线通信系统通常在许多不同频带上操作，例如全球定位系统（GPS），全球导航卫星系统和无线局域网（WLAN）。因此，多频带CP天线的设计已成为近几十年来的热门研究课题。已经有许多双频CP天线设计例如堆叠贴片[1]，交叉偶极子[2]，方形或环形槽[3]-[6]。很多学者已经进行了一些尝试以实现三频带CP天线。微带CP贴片天线被提议用于三频带应用[7]。天线阻抗带宽（IBW）为103，110和410 MHz；3dB轴向比带宽（ARBW）分别为15，44和36 MHz。虽然结构简单，但轴比带宽很窄。类似于[6]，三频带CP天线[8]在下部地面上看切割了三个以上的槽臂。它在两个GPS系统（1.2和1.575 GHz）和通用移动电信系统频段（2.03 GHz）上运行，但是CP带宽非常窄。另一种单馈三频CP缝隙天线设计在[9]中。天线由两个非同心环形槽和一个L形微带馈线组成。它设计用于GPS的L1和L2频段以及罗盘导航卫星系统的频段。测量的天线阻抗带宽对于低频带是9％（1.16-1.27GHz），对于中频带是2.5％（1.55-1.59 GHz），对于上频带是27％（2.0-2.62 GHz）。测得3 dB 轴比带宽为7.3％（1.19~1.28 GHz），1.3％（1.57~1.59 GHz）和5.6％（2.45-2.59 GHz）。在[10]中设计了一个带有三个L形缝隙的六角形缝隙天线，用于三频带CP辐射。测量的天线阻抗带宽为33.16％（3.22-4.5GHz）和22.72％（4.76-5.98GHz）。测量的3 dB轴比带宽分别为1.7％（3.49-3.55 GHz），3.9％（4.06-4.22 GHz）和5.2％（5.03-5.30 GHz）。在[11]中，采用紧凑的互补平面单极天线，其具有嵌入地中的T形槽和在单极结构中添加的矩形短截线，用于实现三频带CP天线。测得的天线阻抗带宽为116.8％（3.10-11.80 GHz）。测得的3dB 轴比带宽是3.8％（3.63-3.77GHz），4.5％（4.95-5.18GHz）和4.3％（9.55-9.97GHz）。另一个单极子，包括一个绕水平轴旋转45°的倒U形辐射器，一个I形条带和一个倒L形条带，用于实现[12]中的三频带CP辐射。天线的测量天线阻抗带宽为17.5％（2.35-2.8 GHz）和76.6％（3.3-7.4 GHz）。测量的3 dB 轴比带宽为12％（2.35-2.65 GHz），10％（3.3-3.65 GHz）和4.4％（5.6-5.85 GHz）。

在这封信中，提出了一种简单的三宽带三种模式CP方形缝隙天线。它由一个L形散热器和一个底部框架结构组成，在相对的角上有两个矩形条。矩形缝隙用于改善上部轴比带宽。表1说明了所提出的天线与先前的三频带CP天线的比较。它表明该天线具有更简单的结构，更紧凑的尺寸，更宽的天线阻抗带宽和最宽的轴比带宽。

表1 三频带CP天线的比较

二、天线设计与参数研究

A.天线设计

所提出的天线的几何结构如图1所示。天线印刷在厚度为1.0mm且介电常数为4.4（tandelta;= 0.02，尺寸：60times;60mm²）的FR4基板上。L形辐射器印刷在基板的上表面上并用于产生三个共振频带。L形散热片由x方向条（K₁times;L₁）和y方向条（K₂times;L₂）组成。下框架结构印刷在基板的下表面上。在下部地面的相对角处添加两个矩形条（S₁times;S₂，S₃times;S₄）以产生具有不同极化的CP波。在下部地面的右侧矩形条（S₃times;S₄）处切割矩形缝隙（G₁times;G₂）。

图1 所提出的天线的几何形状K₁ = 6.0，L₁ = 25.0，K₂ = 7.5，L₂ = 7.0，K₃ = 1.5，L₃ = 10.0，S₁ = 8.0，S₂ = 20.0，S₃ = 11.0，S₄ = 20.0，G₁ = 1.0，G₂ = 3.0，W_f = 1.0，L_f = 11.0（单位：mm）

图2 实现所提出的天线的步骤

B.实现拟议天线的步骤

为了清楚地解释这个三频段三通CP插槽天线的设计过程，图2中显示了天线设计的五个步骤。A仅具有沿x方向的矩形条带（K₁times;L₁）和框架下部地面结构。在地面结构的相对角处添加两个矩形条是在B中实现CP辐射的方法。C添加了另一个沿y方向的矩形条（K₂times;L₂）以形成L形辐射体。D将x方向条向-y轴移动K₃。所提出的天线（Prop.）在右侧矩形条上切割出一个小的矩形缝隙（G₁times;G₂）。这五个天线的S11和AR性能如图3所示。A是一个线性极化（LP）天线，S11性能几乎在整个带宽范围内都很差。在低地上的相对角度下，对于B的低轴比带宽虽然有所改进，但S11的性能仍然保持不变。由于在添加y方向条带后输入阻抗发生很大变化，因此C的S11性能在三个天线阻抗带宽中得到了很大改善，并且实现了中间轴比带宽。然而，上部轴比带宽仍然很差。偏移的L形辐射器可以显着地扩展中间轴比带宽并实现上部带CP辐射。因此，下部和中部CP波通常由x方向条带和上部实现。CP波由y方向条带产生。为了进一步扩展上部轴比带宽，右侧矩形条带上的小切口用于控制表面电流分布。所提出的天线的上CP带宽达到4.7％（8.26-8.66GHz）。

图3 （a）S11和（b）五个天线的AR

C.表面电流分布

图4显示了分别在2.7，6.0和8.5 GHz处的0°和90°的表面电流分布。具有90°相位差和相等幅度的两个正交谐振模

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