1 引言
微帶縫隙天線有很多種，而其中之一就是環形微帶縫隙天線。一般情況下，它的結構都是比較固定的，即通過在介質基片的接地板上刻蝕出圓環形縫隙，并由微帶線在介質基板另一側對該環形縫隙耦合饋電。環形縫隙天線之所以能夠被廣泛地應用，得益于同心的環形縫隙陣能夠獲得一致的定向性且環縫之間耦合較小，所以常用來實現多頻天線和組陣。傳統的環形縫隙天線輻射的是線極化波，可以通過下式大概的計算出它的諧振頻率：
公式1 諧振頻率計算公式
傳統的環形縫隙天線產生的是線極化場，若在環縫上引入“分離簡并單元”，或是采用等幅相位相差90°的雙饋，則也可實現圓極化，這和微帶貼片天線是一樣的。微帶環形縫隙天線的方向圖在不添加反射板時是雙向輻射的，它比微帶貼片天線的帶寬更寬，且寄生輻射和表面波激勵都不嚴重。對制造公差的敏感性，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計
在前期的設計中，通過采用環形縫隙結構我們成功實現了一個雙頻圓極化微帶天線，該天線在兩個頻段均為左旋圓極化，而在實際應用中，手機等無線終端設備為了達到減小尺寸這一目標，一般都采用線極化的天線，因為即使采用線極化天線也能滿足基本需求。我國現在使用的北斗衛星導航系統，就是一個很成功的范例，并且目前該系統已經開始為別的國家提供服務。
該系統與GPS等早先建成的幾大衛星定位系統的不同之處之一在于它具有短報文通信功能，也就是說，終端設備與衛星之間可以進行雙工通信，而GPS等定位系統的終端設備僅僅是一個接受衛星信號的設備。這也使得北斗衛星導航系統的兩個工作頻段分別僅用于發射和接受信號，即一個是上行頻段（1.600~1.616GHz），另一個是下行頻段（2.485~2.500GHz）。而且為了進一步降低干擾，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。這就需要設計一種能夠實現雙頻雙圓極化的天線，所謂雙圓極化就是指在天線兩個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現。本節在前期設計的基礎上采用類似的同心環形微帶縫隙結構設計了一種可應用于北斗衛星導航系統的雙頻雙圓極化天線，對天線的性能進行了研究和分析，并給出了仿真與測試結果。
其設計目標如下：
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天線的結構
天線結構如圖2-1所示，為印刷在介電常數為4.4的FR4介質板上、由階梯微帶線從背面耦合饋電的環形微帶縫隙天線，但采用了結構更為簡單的兩個同心環形縫隙。天線外環縫隙在相對x軸135°和315°處向外刻蝕有一對方形槽，內環縫隙則在相對x軸45°和225°處向內刻蝕有一對方形槽。外環兩刻蝕槽的連線與內環兩刻蝕槽的連線相互正交，以獲得兩個頻段處相反旋向的圓極化波。
在雙頻雙圓極化天線的設計中，結構的簡潔性是十分重要的，究其原因就是天線的尺寸參數不同對其性能的影響并非獨立的，也就是說某些參數主要影響天線的阻抗匹配性能，但也會對其圓極化性能產生一定的影響，因此每減少一個參數，參數調節的工作量都會大幅下降。天線的尺寸參數越少，則天線越容易調試，也越具有通用性，可以較為容易的移植到其它頻率使用。因此采用結構更為簡單的環形縫隙對于雙頻雙圓極化的實現更為有利。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 天線結構
2.2天線參數的分析
本節提出的雙頻雙圓極化微帶縫隙天線結構均擁有多個幾何參數。天線的兩個工作頻段大體上由內外兩個環形縫隙所決定。在根據頻率確定兩環形縫隙的半徑之后，需要調整一些關鍵參數以獲得理想的雙頻雙圓極化特性。所以，我們必須從由參數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果。
Ls是微帶饋線終端開路短截線的長度。在前期的設計中，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。我們還根據仿真的結果，得出了Ls的變化會影響高低頻段的反射系數。當然，它們之間存在不同點。在低頻段，Ls的變化引起反射系數在大小上的整體變化，而在高頻段，Ls的變化帶來的則是反射系數相對于頻率的平移。通過觀察天線軸比曲線的變化情況時，我們會發現，Ls對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的變化對于低頻段圓極化性能的影響則可以忽略不計。總體上看，微帶饋線終端開路短截線的長度Ls對于天線阻抗匹配的影響要大于其對圓極化性能的影響。
t和s分別是天線內外環形縫隙上方形刻蝕槽的邊長。刻蝕槽實際上也是一種“分離簡并單元”，其作用是激勵起兩個輻射正交極化的簡并模從而實現圓極化，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于天線的阻抗匹配就沒有影響。可以預見，刻蝕槽的尺寸越大，環形縫隙的平均周長就越大，環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系，仍是我們必須關注的。我們根據前期設計的仿真圖形，可以得出，當刻蝕槽邊長取值向大或向小偏離某最優值時，軸比均產生整體上的惡化。
3 模型的建立與仿真
3.1天線的模型
根據前期的設計思路和具體的數據，在HFSS軟件上畫出雙頻雙圓極化微帶縫隙天線的模型圖。剛開始做出來的模型，效果不太好，為了后期的仿真結果更加符合實際情況，對模型進行了很多次的修改，最后的模型3-1中兩個圖形所示，分別呈現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
在天線相關性能的描述中，S參數是一個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，來分析相關天線的性能好壞。當S11的值很大的時候，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，這也就代表著設計的可行性。天線的駐波比描述的是天線的匹配狀況，當天線的匹配情況不好時，反射的功率就多，駐波比越大，駐波比數值在1到無窮，一般工業要求駐波比小于2即可。
前期的仿真，因為設計的不嚴謹、操作的不科學以及沒有進行優化等，仿真結果跟理想狀態相去甚遠，完全達不到設計要求，如下圖3-2所示的是前期的仿真結果圖。設計的是雙頻天線，但是在S11上，我們卻得到了三個頻段，這一結果，明顯不符合設計要求。
考慮到具體的實際情況，通過不斷地分析比較，得到了上表1中的天線結構參數。根據這些參數，不斷對模型進行優化，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 優化前的曲線
圖3-3 優化后的回波損耗以及駐波比的仿真曲線
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本文標題：一種小型化雙頻圓極化微帶天線設計（上）
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