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右旋圆极化矩形微带天线设计

一、引言
大多数情况下，矩形微带天线工作于线极化模式，但是通过采用特殊的馈电机制及对微带贴片的处理，它也可以工作于圆极化和椭圆极化模式。圆极化的关键是激励起两个极化方式相互正交的线极化波，当这两个模式的线极化波幅度相等，且相位相差90度时，就能得到圆极化的辐射。矩形微带天线获得圆极化特性的馈电方式有两种：一种是单点馈电，另一种是正交馈电。本文采用单点馈电。
我们知道，当同轴线的馈电点位于辐射贴片的对角线位置时，可以激发TM10和TM01两个模式，这两个模式的电场方向相互垂直。在设计中，我们让辐射贴片的长度L和宽度W相等，这样激发的TM10和TM01两个模式的频率相同，强度相等，而且两个模式的电场相位差为零。若辐射贴片的谐振长度为Lc，我们微调谐振长度略偏离谐振，即一边的长度为L1，另一边的长度为W1，且L1>W1，这样前者对应一个容抗Y1=G-jB，后者对应一个感抗Y2=G+jB，只要调整L1和W1的值，使得每一组的电抗分量等于阻抗的实数部分，及B=G，则两阻抗大小相等，相位分别为-45度和+45度，这样就满足了圆极化的条件，从而构成了圆极化的微带天线。其极化旋向取决于馈电点接入位置，当馈电点在如图1-1的A点时，产生右旋圆极化；当馈电点在图1-1的B点时，产生左旋圆极化波。
图1-1单馈点圆极化矩形微带天线结构
二、结构设计
设计微带天线的第一步是选择合适的介质基片，假设介质的介电常数为εr，对于工作频率为的矩形微带天线，可以用如下的公式估算辐射贴片的宽度：
(1)
其中，是光速。
辐射贴片的长度一把取为，其中是介质内的导波波长，考虑到边缘缩短效应后，实际的辐射贴片长度为：
(2)
其中，是有效介电常数，是等效辐射缝隙长度，它们可以分别用下式计算，即为：

对于同轴馈电的微带贴片天线，在确定了贴片长度L和宽度W之后，还需要确定同轴线馈点的位置，馈电的位置会影响输入阻抗，通常要求是50Ω阻抗匹配。
根据相关研究和实际经验可以得到，图示1-1结构的50Ω馈电点位于辐射贴片对角线上，且馈电点和辐射贴片顶点的距离在(0.35~0.39)d之间，也即馈电点距离辐射贴片中心的距离在（0.11~0.15）L(W)之间。
上述分析都是基于无限大参考地平面的基础之上，经过理论分析，实际中当参考地平面比微带贴片大出6h的距离时，计算结果就可以达到足够的精确。
三、HFSS模型建立与仿真结果
本文要求设计一个工作于3.72Ghz的右旋圆极化矩形微带天线，其中介质基板的厚度为3mm，相对介电常数为4.53，要求50Ω同轴馈电，实验中设定损耗角正切为0.001。
根据上述公式的计算，得到微带贴片的初始尺寸为L=17.7mm，同轴内导体半径设置为0.65mm，为标准SMA接头。仿真中，设定变量L0、W0分别表示辐射贴片的长与宽，（L1，W1）表示馈电点坐标，且L1=-0.14L0，W1=0.14W0，仿真模型如图3-1所示。

图3-1HFSS模型
通过参数扫描与优化设计模块操作，确定最终的参数为：
L017.6mmW016.3mmL1-2.464mmW12.282mm贴片长宽之比为1.08，相差很小。
天线的S11参数结果如3-2所示：

图3-2天线S11参数
从S11参数看以看到，贴片的中心频率为3.82Ghz，与设计所要求的3.72Ghz有100Mhz的频差，其原因将在后文阐述。
图3-3为该贴片天线的轴比图，从图中可以看到，其轴比最小点正好位于3.72Ghz，且数值为0.35dB，是一个纯净的圆极化波，一般工程中轴比小于3dB即可当作为圆极化波，可以看到，轴比带宽为：

图3-3轴比扫频结果
图示3-4反应了增益的仿真结果，从图中可以得到，天线总增益为6.5367dB，右旋圆极化增益为6.5329dB，Theta在-1100~900范围内，天线总增益与右旋圆极化波增益几乎相等，这也表明了天线辐射的是右旋圆极化波，同时最大辐射方向的左旋圆极化增益为-23.9541dB，可见交叉极化很小，满足设计要求。

图3-4增益方向图
图3-5显示了天线电压驻波随频率的变化情况，从图中可以得到，其带宽为：

由此可见，对于圆极化天线，我们更加关注的是轴比(AR)带宽，而不是电压驻波比(VSWR)带宽，因为其更能反映该天线的工作特性。

图3-5VSWR扫频结果
图3-6显示了天线在xz平面与yz平面的右旋增益方向图。

图3-6xz和yz平面右旋增益方向图
四、结果分析
从仿真结果中我们可以发现一个事实，就是如果天线谐振到3.72Ghz，那么它的轴比将会非常差，所以只能调整天线尺寸，使其稍微偏离谐振频点，从而激发两个正交的模式，实现天线的圆极化工作。