一种CPW馈电的宽带圆极化缝隙天线详教程

1 引言

圆极化技术作为天线理论和应用的一个重要分支，在通信及电子对抗等领域中得到广泛应用。目前的圆极化天线主要以微带天线为主，但微带天线由于近似处理较多，所以设计的准确性并不太好，另外微带天线的频带也较窄，普通的单馈电圆极化微带天线带宽一般不足3%，同时介质基片的离散性也会影响到谐振频率的准确性。共面波导（CPW）馈电的平面天线由于其辐射单元和馈电单元在同一平面内，易于和有源器件集成从而形成多种馈电方式，近年来受到了较多的关注，但是大部分圆极化宽带天线是用微带线馈电，关于CPW馈电的圆极化平面天线的报道较少见。

2 天线设计

天线的结构如图1所示，在厚度为h，介电常数为ε，边长为G的正方形介质板上开了一个边长为L的正方形缝隙，缝隙中引出两个连接的椭圆形金属片。该天线用50Ω的CPW馈电，CPW激励长度为L3，宽度为Wf，伸出激励带条长度为L2，宽度为基板选用h=0.8mm，ε=4.6的介质材料，边长G=60mm，Wf=3.1mm，g=0.3mm。

图1 天线结构图

采用HFSS软件对椭圆金属片的位置及尺寸进行参数分析，优化设计出该天线的最佳结构尺寸。最终得出的结构参数为L=40mm，L1=17.5 mm，L2=23mm，L3=5mm，两个主半径为10mm，比率0.25的椭圆金属片相连接，置于正方形缝隙对角线的上部。

3 仿真和实测结果

图2给出了该天线轴比的实测结果和HFSS仿真结果的比较。实测的3dB轴比频带为2.32-2.57GHz，相对带宽达到了10.4%。图3给出了天线S参数随频率变化的曲线，回波损耗《-10dB的频带为2.38-2.76GHz，达到了15.5%，由此可见，天线具有很宽的阻抗和轴比带宽。

图4给出了天线的增益仿真曲线。由图可知，天线在1.5-3.0GHz之间，增益变化均《1dB，具有很宽的1dB增益带宽。而在3dB轴比带宽内（2.32-2.57GHz），天线的增益均处于2dB到3dB之间。

图2 天线的轴比实测结果和仿真结果

图3 天线的回波损耗仿真结果

图4 天线的增益仿真结果

图5（a）、（b）、图6（a）、（b）和图7（a）、（b）分别给出了在2.32GHz、2.45GHz和2.57GHz时，天线在x-z，y-z面的方向图。

（a） x-z plane

（b） y-z plane

图5 天线在2.32GHz的方向图

（a） x-z plane

（b） y-z plane

图6 天线在2.45GHz的方向图

（a）x-z plane

（b） y-z plane

图7 天线在2.57GHz的方向图

本文所给出的圆极化天线辐射的是左旋圆极化波，要实现右旋圆极化，只需将椭圆金属片放置于相反方向的对角线上方即可。可见，该天线能够方便的实现左、右旋圆极化。

4 结论

本文给出了一种由CPW馈电的宽带圆极化缝隙天线的设计方法。通过两个连接的椭圆形贴片，激励出一对相位差90º的正交简并模，进而实现圆极化特性。同时，只需将贴片置于矩形缝隙的另一对角上，即可方便的改变圆极化的旋向。该天线结构简单，测试结果表明具有10.4%的轴比带宽，在该频段内，天线的增益变化小于1dB，所以该天线具有良好的圆极化特性。