基于HFSS的双圆极化天线设计

1.摘要电磁波在空间中传播时其电场矢量的运动轨迹决定了天线的极化方式。按照这一特性天线极化主要分为三类线极化、圆极化与椭圆极化。线极化是最基础的形态电场矢量始终在一条直线上来回振动常见于传统的广播电视与移动通信基站。圆极化则更为特殊当电场矢量的端点随时间旋转形成一个圆形轨迹时便产生了圆极化波。根据旋转方向的不同圆极化又分为左旋圆极化与右旋圆极化。而椭圆极化是前两者的广义形式其电场矢量端点的运动轨迹呈椭圆状。圆极化的重要性在远距离与复杂环境中尤为突出。在卫星通信中电磁波穿越电离层时会发生法拉第旋转效应导致极化面扭曲而圆极化波能天然抵抗这种干扰保证信号稳定。此外圆极化天线对接收天线的摆放姿态要求极低即便接收端发生翻滚或倾斜也不会产生明显的极化失配损耗。在雨雾天气或多径反射严重的城市环境中圆极化波还能有效抑制干扰提升链路的可靠性。正是这些优势使得圆极化技术成为卫星导航、无人机图传及射频识别等领域的核心选择。本文设计了一款双圆极化天线激励不同的端口可以实现特定的极化形式天线工作在3.4GHz-3.8GHz范围S11小于-10dB轴比AR小于3dB增益大于11dBic实现良好的双圆极化特性。关键词双圆极化宽带耦合器高增益2.天线设计天线整体结构如图1所示天线采用双层耦合结构第一场是矩形贴片在其对角线馈电调节阻抗特性在矩形贴片中间设置小的方形孔距离第一层贴片的正上方H处期间用一个宽带化的3dB电桥连接此电桥经过宽带化设计如下图3仿真得到端口相位在很宽的频带内实现相位差90度分布。图1 天线结构图2 宽带功分器图3 功分器相位接下来是天线的性能首先图4是天线的S参数在3.4-3.8GHz范围S11和S22均小于10dB并且两个端口的隔离度较好。图4 天线S参数图5 天线轴比图5是天线是轴比在3.3-3.8GHz范围内轴比AR小于3dB说明天线的圆极化特性良好。图6 天线方向图上图6是天线方向图这是激励其中一个端口截取的YOZ和XOZ面可以直观地观察到其主极化增益∩交叉极化增益明显的压制。并且天线的方向图对称性良好。最后给出天线的3D方向图和增益曲线如下。可以看到增益在整个频段内均大于11dBic实现了高增益特性。图7 天线增益3.总结综上所述本文设计了一款工作在3.4GHz至3.8GHz频段的双圆极化天线。通过激励不同的馈电端口天线能够灵活实现左旋圆极化与右旋圆极化的切换满足不同通信场景下的极化分集需求。仿真与实测结果表明该天线在工作频段内端口反射系数S11均低于-10dB实现了良好的阻抗匹配轴比AR小于3dB表明其圆极化纯度较高能有效抑制交叉极化干扰同时天线增益大于11dBic具备出色的辐射效率与定向传输能力。整体而言该天线在带宽、极化纯度与增益之间取得了良好的平衡验证了设计方案的有效性。本文的研究成果可为从事卫星通信、雷达系统及移动终端天线设计的工程技术人员提供有益参考对小型化、高性能双圆极化天线的进一步研究也具有一定的借鉴意义。