寬帶多頻微帶天線研究現(xiàn)狀

隨著衛(wèi)星通信及導(dǎo)航定位等技術(shù)的發(fā)展，圓極化微帶天線以其獨(dú)特的優(yōu)勢，得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)為了適應(yīng)通信系統(tǒng)的要求，對天線的帶寬、工作頻段以及體積等提出了更高的要求，為此國內(nèi)外的學(xué)者們圍繞如何展寬帶寬、實(shí)現(xiàn)多頻和小型化，展開了進(jìn)一步的研究。

寬頻圓極化技術(shù)

傳統(tǒng)的微帶天線無論是阻抗帶寬，還是圓極化帶寬都相對比較窄。為了展寬帶寬，學(xué)者們提出了很多方法。

共面波導(dǎo)饋電

共面波導(dǎo)饋電在展寬天線帶寬方面效果比較明顯。Jia-Yi Sze和Chi-Chaan Chang采用共面波導(dǎo)饋電，同時(shí)在方形縫隙的兩個(gè)對角上加載倒L枝節(jié)，通過調(diào)整兩個(gè)枝節(jié)的長度和寬度可以使天線實(shí)現(xiàn)圓極化，如圖1所示，調(diào)整方形縫隙中的微帶線的尺寸可以更好的實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。天線實(shí)測阻抗帶寬為52%，軸比帶寬大于25%。用共面波導(dǎo)對方形縫隙天線饋電，并在對角上加載E型縫隙以實(shí)現(xiàn)圓極化，天線的3dB軸比帶寬最好可達(dá)到32%，駐波比小于2的阻抗帶寬為54.8%。

圖1　共面波導(dǎo)饋電圓極化方形縫隙微帶天線

圖2　L型貼片微帶天線

圖3　雙縫隙環(huán)微帶天線

加載技術(shù)

加載技術(shù)一直以來也是展寬天線帶寬的重要技術(shù)之一。Wenquan Cao等人采用電阻加載技術(shù)設(shè)計(jì)了一款寬帶圓極化微帶天線，使用容性金屬圓盤對輻射貼片進(jìn)行電磁耦合饋電，同時(shí)將接地電阻與另一個(gè)容性金屬圓盤相連接。天線實(shí)測阻抗帶寬達(dá)到78.7%，圓極化帶寬達(dá)到27.5%，帶寬范圍內(nèi)天線最高增益達(dá)到6.8dB。

其他方法

在展寬微帶天線帶寬方面，還有很多其他的方法。文獻(xiàn)利用多級(jí)威爾金森功分器設(shè)計(jì)了16元陣，每個(gè)陣元均是兩點(diǎn)饋電的圓極化單元，按照順序旋轉(zhuǎn)饋電要求排列，使得軸比小于1dB的帶寬達(dá)到47.8%。采用共面波導(dǎo)對L型輻射貼片進(jìn)行饋電，如圖2所示，其結(jié)構(gòu)簡單便于加工，調(diào)整L型貼片的尺寸可以展寬天線的軸比帶寬和阻抗帶寬，天線的軸比相對帶寬可以達(dá)到17%，而阻抗帶寬可以達(dá)到43%。

在文獻(xiàn)中，采用多點(diǎn)正交耦合饋電，并附加寄生貼片，天線軸比的相對帶寬可以達(dá)到45%，天線的增益也得到提升。T.-N. Chang 在貼片上開兩個(gè)相連的縫隙環(huán)來展寬天線的軸比帶寬，如圖3所示。采用此種結(jié)構(gòu)，天線軸比的相對帶寬達(dá)到了46.7%，有明顯的改善。文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)了一個(gè)缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS：Defected Ground Structure）的微帶單極子天線，該天線采用非對稱饋電，相對阻抗帶寬可以達(dá)到102%，相對軸比帶寬為32%。The-Nan Chang和Jyun-Ming Lin將U型帶狀線與地板共面，并在地板上開縫，通過調(diào)整U型帶狀線的尺寸可以展寬天線的阻抗帶寬，通過調(diào)整地板上的縫隙，可以改善天線的圓極化性能，天線的相對阻抗帶寬和相對軸比帶寬分別為148%和60%。采用特殊結(jié)構(gòu)也可以展寬天線的帶寬，采用阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的寬帶圓極化微帶天線的相對阻抗帶寬可以達(dá)到135.48%，相對軸比帶寬為108.26%。

圖4　三層貼片堆疊三頻雙圓極化微帶天線

圖5　耦合饋電雙頻圓極化微帶天線

多頻圓極化技術(shù)

多頻圓極化微帶天線是適應(yīng)于實(shí)際需求的另一個(gè)發(fā)展方向，在衛(wèi)星通信和導(dǎo)航定位中廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外廣大學(xué)者在這方面也有很多研究成果。

層疊結(jié)構(gòu)

層疊結(jié)構(gòu)是利用多諧振來產(chǎn)生多頻圓極化的典型結(jié)構(gòu)。圖4中所示是一種通過層疊三個(gè)輻射貼片實(shí)現(xiàn)三頻特性的雙圓極化微帶天線，天線通過對三個(gè)矩形貼片進(jìn)行切角微擾來實(shí)現(xiàn)雙圓極化。天線使用兩個(gè)探針進(jìn)行饋電，一根探針從地面穿過第一層對第二層貼片直接饋電，另一根探針從地面穿過第一層和第二層貼片對第三層貼片饋電。設(shè)計(jì)時(shí)天線上方添加一塊介質(zhì)板來提高天線增益。

圖5所示的是一種雙頻圓極化微帶天線。天線使用3dB定向耦合器作為饋電網(wǎng)絡(luò)，對兩層疊同心圓環(huán)貼片進(jìn)行耦合饋電，天線覆蓋L1和L2兩個(gè)頻段。天線在L1頻段和L2頻段的實(shí)測增益分別為7dB和6dB。采用層疊結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)一種三頻圓極化微帶天線，天線增加了金屬圓臺(tái)底座，增大了低仰角增益。

從理論上講，微帶天線通過層疊結(jié)構(gòu)可以工作在任意頻段，但實(shí)際工程應(yīng)用中，達(dá)到三頻以上就很難實(shí)現(xiàn)了，這是因?yàn)殡S著層疊數(shù)目的增加，饋電設(shè)計(jì)難度隨之增加，同時(shí)頻段間的相互影響也越來越大，對天線的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，天線的體積也將變大。

多模工作

微帶天線采用多模工作是實(shí)現(xiàn)多頻段工作的重要手段。在貼片的四周開四個(gè)T型的縫隙，并在貼片的中心開一個(gè)矩形的縫隙。中心的矩形是為了實(shí)現(xiàn)圓極化，天線開四個(gè)T型縫隙之后，將工作在TM10模和TM30模，達(dá)到實(shí)現(xiàn)雙頻的目的。Behazad Naimian和Mohammad H. Neshati在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上在方形貼片的內(nèi)部開四個(gè)L型的縫隙，天線在實(shí)現(xiàn)雙頻段工作的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了小型化，在實(shí)際應(yīng)用中具有很重要的價(jià)值。

其他結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)雙頻雙圓極化還有很多其他的結(jié)構(gòu)，通過改變單個(gè)方形環(huán)縫隙的一對對角處的縫隙寬度，可以設(shè)計(jì)一款雙頻圓極化微帶天線。The-Nan Chang和Jyun-Ming Lin采用微帶進(jìn)行連續(xù)饋電，分別對方形貼片和方形環(huán)通過縫隙耦合饋電，實(shí)現(xiàn)了雙頻圓極化。采用多環(huán)縫隙結(jié)構(gòu)能夠設(shè)計(jì)一種新型的雙頻段圓極化可重構(gòu)天線，能夠滿足移動(dòng)通信系統(tǒng)對多頻天線的需求。李建峰和孫保華等人設(shè)計(jì)了一款雙頻雙圓極化微帶天線，采用耦合貼片饋電，并附加集總電路濾波網(wǎng)絡(luò)，有效改善了兩個(gè)端口之間的收發(fā)隔離度，并采用高介電常數(shù)的介質(zhì)，減小了天線的尺寸。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.017