带嵌入式蜿蜒线的带宽增强型圆极化槽共面波导馈电天线

Lianwu Yang、Ying Li，宜春大学

摘要：一种新型 CPW 馈电宽带圆极化（CP）槽形天线可提供更高的带宽。它的地平面呈阶梯状。为了增强带宽，在垂直于馈电线的一侧嵌入了一个蜿蜒线分支，引入了宽带正交模式。测量的 -10 dB 阻抗带宽为 103.2%（从 2.12 GHz 到 6.64 GHz），ARBW 为 72.0%（从 2.82 GHz 到 5.99 GHz），与模拟结果吻合。

CP 天线可以接收任意极化的电磁波，任何极化的天线都可以接收 CP 天线辐射的电磁波。¹ 此外，CP 天线还可以抑制恶劣天气的干扰，减轻多径反射的影响。²

产生圆极化波的方法是激发两个振幅相等、相位差为 90 度的正交模式。^3-5 目前已提出了各种类型的 CP 天线，其阻抗和轴向比（AR）带宽都很宽。此外，现代通信系统对天线微型化的需求近来也有所增加⁴。

大多数 CP 天线结构都是不对称的⁵，由 L 形馈电线馈电。⁶ 为了产生 CP、提高性能和拓宽带宽，人们采用了许多方法，例如引入槽^7,8和嵌入各种类型的短截线。^9-11。例如，一种采用新型馈线的天线具有 72% 的宽带宽和低剖面，但 CP 特性不足¹²。

具有独特物理特性的超材料已被用于 CP 天线设计。例如，Marouf 和 Ziani^（13）展示了一个 3×3 的圆形贴片阵列，阵列中心的圆形贴片天线由一个改进的 CPW 槽馈电。他们实现了双 CP 辐射，但带宽不超过 20%。

Weng 等人¹⁴ 描述了一种具有 AR 和阻抗宽带特性的双频 CP 槽天线，而 Hoang 等人则展示了一种使用叠加电容器的 CP 印刷单极子天线的 ARBW 改进¹⁵。

Guthi 和 Damera 使用单层基板设计了一种高增益、宽带平面 CP 天线。^（16-18）为了实现宽带天线，最初在地平面上用共面馈线槽馈入一个圆形贴片天线。用 3×3 的圆形贴片阵列创建了一个表面，圆形贴片天线位于阵列中心。此外，槽还被修改成 L 形，以产生圆极化。此外，还在槽中引入了短截线，以提高阻抗带宽。其他技术，如人工磁导反射器¹⁹ 、带通孔的不对称偶极子²⁰ 和多层结构²¹ 也被用于拓宽天线带宽。

上述设计体积大且不规则，带宽相对较窄。Bao和Ammann描述了一种非对称接地的单极子天线。²² 其阻抗带宽为96.5%，ARBW为63.3%，虽然比大多数CP天线更紧凑，但其峰值增益仅为3.5 dBic，相对于其尺寸而言非常低。

CPW 槽馈已被证明具有宽带 CP 天线的潜力，^（23-27）但大多数都是线性极化的。在本研究中，描述了一种具有非对称接地的 CPW 槽馈天线。采用非对称接地时，可获得较宽的 ARBW，然后在地面上蚀刻一条蜿蜒线，以进一步提高带宽并增强 CP 性能。

天线配置

图1 所示的天线几何形状是基于传统的 CPW 馈电槽天线设计。表 1 列出了通过参数分析确定的天线尺寸。馈电线左侧地平面的矩形金属部分被移除，以产生 CP 波。此外，还在馈电线左侧蚀刻了一条从接地平面突出的蜿蜒线，以提高 CP 性能。单层天线的介质基板是介电常数为 4.4 的 FR4 复合材料。天线由带有标准 SMA 连接器的同轴线馈电。

图1 天线结构

设计演变过程如图2 所示。首先是一个传统的对称 CPW 馈电槽形天线（见图2a）。然后将槽的一侧放大，以产生不对称的表面电流，从而引入 CP（见图2b）。为了进一步提高 CP 带宽并改善阻抗，嵌入式细长蜿蜒线的位置与馈电线垂直（见图2c），从而引入宽带正交模式。

图2 设计演变：天线 1 (a)、天线 2 (b) 和天线 3 (c)。

模拟的 -10 dB 阻抗带宽和 ARBW 如图3 所示。与以往通过加载复杂结构（如螺旋或分支微带）实现宽带或双带圆极化的结构相比，该天线是基于传统的 CPW 馈电槽天线设计的，因此具有外形小巧、易于制造等优点。

图3 天线 1 (a)、天线 2 (b) 和天线 3 (c) 的模拟阻抗带宽和 ARBW。

为了说明引入 CP 模式的效果，模拟了天线 1 和天线 2 在 5 GHz 频率下的电流分布（见图4）。天线 1 的电流分布矢量主要是垂直的，而且在馈线底部更占优势，这表明天线 1 只辐射线性极化波（见图4a）。由于天线 2 的接地平面形状，水平电流在接地平面的顶端分支增强。这样就获得了两个垂直分布的电流，从而引入了 CP 能力。为了进一步提高 CP 和阻抗带宽，在垂直于馈电的方向上放置了一条蜿蜒线，从而引入了宽带正交模式。

图4 天线 1 (a) 和天线 2 (b) 在 5 GHz时的表面电流分布。

为了展示天线 3 引入的 CP 模式，图5 显示了 5 GHz 频率下 0、90、180 和 270 度相位的金属表面时变电流。主要的表面电流逆时针流动。因此，它在 +z 方向上辐射出右手 CP (RHCP) 波。表面电流主要分布在馈电线上、阶梯状接地边缘和蜿蜒线上，这突出表明了蜿蜒线对 CP 辐射的贡献。要实现左手 CP（LHCP），只需将蜿蜒线和梯级接地放置在馈线的另一侧即可。

图5 5 GHz 时天线导电表面上的时变电流：0（a）、90（b）、180（c）和 270（d）度。

图6 至图8 列出了不同尺寸的关键参数 |S₁₁| 和 AR 的模拟结果。许多参考文献都指出，加长馈线是影响阻抗匹配的一个重要因素。如图6 所示，最佳尺寸可产生最宽的阻抗带宽和 ARBW。图7 显示了蜿蜒线位置对|S₁₁|和 AR 的影响。|S₁₁|略有变化，但在最佳位置时，ARBW 最宽。最后，图8 显示了 L₀ 维度的影响。结果清楚地表明，它对阻抗带宽和 ARBW 有很大影响。L₀ 越大，阻抗带宽和 AR 带宽就越宽。然而，由于蜿蜒线和非对称接地之间距离的限制，其长度被设定为 8 毫米。

图6 不同 L_f 时的模拟 |S₁₁| 和 AR。

图7 不同 b 时的模拟 |S₁₁| 和 AR。

图8 不同 L₀ 时的模拟 |S₁₁| 和 AR。

实验结果

模拟和测量结果如图9 所示。模拟 -10 dB 阻抗带宽为 4.52 GHz（2.12 至 6.64 GHz），ARBW 为 3.17 GHz（2.82 至 5.99 GHz）。作为比较，测量的阻抗带宽为 4.65 GHz（2.10 至 6.75 GHz），ARBW 为 3.40 GHz（2.65 至 6.05 GHz）。结果与模拟一致。轻微差异主要是由于材料、测量不确定性和制造公差造成的。这些结果表明，与表 2 中的参考文献相比，该天线在结构和带宽方面具有优势。

图9 模拟与测量结果对比

图10 显示，该天线在 CP 带宽内的增益高于 3.8 dBic，最大增益为 7.8 dBic。辐射效率在 4.1 GHz时最高达到 96%。

图10 天线增益和辐射效率。

5 GHz 时 xoz 平面和 yoz 平面上的模拟与测量辐射方向图（见图11）是双向的，并且非常接近。ADS 的模拟结果与 HFSS 的结果也非常吻合。

图11 5 GHz的辐射方向图：xoz（a）和 yoz（b）。

结 论

一种具有宽带圆极化功能的新型非对称 CPW 馈电天线采用非对称接地和蜿蜒线来实现圆极化和改进带宽。参数优化后，测量的 -10 dB 阻抗带宽为 103.2%（从 2.12 GHz 到 6.64 GHz），ARBW 为 72.0%（从 2.82 GHz 到 5.99 GHz），与仿真结果吻合。该天线结构简单、ARBW 宽、外形小巧，适合现代通信系统的多种应用。

参考资料（略，见英文原文）

注：本文用软件翻译经人工快速校对，仅供参考，请以英文原文为准：https://www.microwavejournal.com/articles/42614