ABSTRACT

A bi-directional and circularly polarized microstrip patch antenna is proposed for applications in the long corridor environment. This antenna consists of two substrate layers, in which binaryelement patch array is at the bottom and parasitic binary element array is on top layer. It is center-fed from the bottom layer. Firstly, the circular polarization is achieved by means of truncating corners. Secondly, the bi-direction pattern is realized with the nearly symmetrical current distribution. A bi-directional radiation pattern has been achieved at the center-frequency of 1.9 GHz. The relative impedance bandwidth is about 8.2%, while the axial ratio bandwidth is about 2.1% at maximum radiation direction. The gain is about 5.7 dBi.

Keywords:Microstrip Patch Antenna, Bi-Directional Radiation, Circularly Polarization

移动通信中的双向圆极化微带天线的设计

刘  巍，汪  敏，吴  文

南京理工大学电子工程与光电技术学院，南京

Email: wangmin@mail.njust.edu.cn

收稿日期：2014年4月28日；修回日期：2014年5月26日；录用日期：2014年6月1日

摘  要

本文设计了一种适用于狭长空间环境的双向圆极化微带天线。天线为双层结构的二元阵，下层为激励二元阵、上层为寄生二元阵，馈电点位于下层的几何中心。首先，利用切角的方式实现了圆极化，再通过近乎中心对称的电流分布实现了天线的双向辐射特性。在天线中心频率1.9 GHz上实现了夹角为72˚的双向圆极化辐射，相对阻抗带宽约为8.2%，最大辐射方向上相对轴比带宽(AR < 3dB)2.1%，增益约为5.7 dBi。

关键词

微带天线，双向辐射，圆极化

1. 引言

在移动通信中，为了提高通信质量，对于特殊的环境要求不同的天线形式以实现信号覆盖。对于室内、较长的走廊、狭长隧道等区域，天线系统一般采用全向辐射天线形式进行覆盖[1] 。然而在这些狭长空间的纵深位置，由于信号的穿透损耗高，空间损耗大，传统的全向天线往往很难满足覆盖要求或者存在信号分布不稳定、盲区等现象。这就要求天线具有双向辐射特性[2] 。常常还进一步要求其极化方式为圆极化，因为圆极化天线具有可以接收任意极化的来波、抗多径反射等优点。

双向圆极化天线已得到越来越多的关注[3] -[5] 。文献[3] [4] 采用共面波导馈电，获得圆极化辐射特性。同时微带贴片分别位于共面波导的前方与后方实现了夹角180度的双向辐射。文献[5] 中天线包括：方形密封环、威尔金斯功分器、和移相器。实现了双向圆极化的特性，但是其结构相对复杂。

本文设计了一种双向圆极化的二元微带天线阵，双向辐射的最大增益约为5.7 dBi，波束夹角可以通过改变阵元的间距灵活调节。该天线具有结构简单、易于加工、成本低等优点，尤其适用于狭长空间的移动通信系统。

2. 天线结构与原理

本文针对所设计的微带天线为双层结构示于图1。上下两层贴片同心层叠放置，均为正方形切角形式。下层中贴片作为激励二元阵置于介质板上表面，上层中贴片作为寄生二元阵置于介质板的下表面。上下两层介质板之间用空气隔开。采用同轴探针从下层介质板中心进行馈电。为获得良好的匹配特性，馈电微带线上引入匹配枝节。

微带天线要获得圆极化波的关键是能够激励起两个极化正交、等幅且相位相差/2的模。根据微扰法[6] ，用切角的方法产生两种正交的TM10和TM01模式，来实现圆极化。在实际应用中通常要求AR ≤ 3 dB的带宽应在1%以上，基于这种要求，为了获得满足通信要求的轴比带宽，天线设计为双层结构，在上下介质板之间引入空气层，下层贴片作为激励元，其极化特性工作在高频端，上层贴片作为寄生元，谐振在低频端，当两者谐振频率接近时，便可以达到增加带宽的目的[7] -[10] 。

为了实现天线的双向辐射特性，将两个具有相同幅度且电流呈反相分布的圆极化辐射元组合起来。这样，在辐射元法向辐射场反相相消，而两端则同相相长。基于上述原理，本文中切角辐射单元距离几何中心相同的距离，此时两辐射元反相馈电，电流基本呈反相分布。满足了双向辐射的要求。调节两单元之间的间距，就可以对双向波束之间的夹角进行灵活地调节。

本文针对夹角70˚左右的双向波束进行设计。采用FR4介质基片，e_r = 4.4，tand = 0.02。上、下层厚度相同t，介质板间距为d。两层介质板的整体尺寸相同为160 × 100 mm。上、下层贴片的几何参数如图1(b)中所示。上层方形贴片的边长为P₂，三角形切角的边长为q₂。下层方形贴片的边长为P₁，三角形切角的边长为q₁，贴片距离几何中心馈电点的距离为S₂，贴片到支节的距离为S₁，支节的长度为L，微带线的宽度为w。

对天线结构进行优化，最终得到夹角72˚、具有良好圆极化性能的双向波束。优化后的天线尺寸列于表1。

3. 加工与测试

在仿真设计的基础之上，对天线进行了加工，图2为该天线的加工实物图。

图3是天线反射系数的仿真与实测曲线。通过仿真天线设计工作频率为1.9 GHz，−10 dB带宽范围为1.843 GHz~2.0 GHz，相当带宽约为8.26%。实测的反射系数带宽与仿真结果吻合较好，中心频率向右

图1. 天线结构与参数

图2. 天线实物图

偏移至2.0 GHz。这可能是由于加工精度造成了偏差，可以通过调整贴片尺寸加以修正。

图4中所示为中心频率处天线x-z面的增益特性，天线增益约为5.7 dBi，为双向辐射的左旋圆极化，交叉极化水平约为25 dB。图5所示为最大辐射方向上增益关于角度的变化曲线。

图6是天线在中心频率处的仿真与实测的方向图曲线(x-z平面)，两者基本吻合。实测天线增益为5.7 dBi。由图中可以看出，天线关于中心向两侧辐射，最大辐射方向与z轴的夹角约为36˚。

最大辐射方向(j = 0˚, q = 36˚)上的轴比特性仿真结果示于图7。AR < 3dB约为1.88 GHz~1.92 GHz，绝对带宽40 MHz，相对带宽约2.1%。影响轴比的主要因素包括，组阵后存在单元与单元之间的耦合和介质板的厚度等。这些因素导致了天线的轴比带宽相对较窄。

4. 结论

为满足狭长空间的纵深位置处的通信需要，本文设计了一种双向辐射的圆极化微带天线。通过近乎关于几何中心对称的贴片电流分布，实现了双向辐射特性。阻抗带宽特性和方向图的仿真与实验结果吻合较好。利用切角实现了圆极化，同时天线设计为双层结构，提高了轴比带宽，使其能够满足通信需要。仿真结果很好的验证了这种特性。该天线用于狭长走廊、隧道等处可以很好地提高

图3. 仿真与实测阻抗特性

图4. 左/右旋极化增益曲线

图5. 方向性系数最大方向上关于j的增益特性

图6. X-Z面仿真与实测方向图

图7. 天线轴比仿真曲线

通信质量。

参考文献 (References)