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文 | 枫月书生A

编辑 | 枫月书生A

前言

超宽带圆极化腔背交叉偶极子天线，它由一个改良的交叉偶极子和一个改良的空腔组成。

改进的交叉偶极子的每个臂主要由三角形和扇形扇形扇区的组合组成，同一层衬底内的臂通过空四分之一环连接。

而改进型腔由一个矩形腔、四个耦合旋转的垂直金属板和四个顺序旋转的金属台阶组成。

通过将改进的交叉偶极子和改进的腔组合在一起，可以实现− 10 dB阻抗带宽（IBW）和3 dB轴比带宽（ARBW）方面的超宽带特性。

IBW和ARBW分别计算为128.9%和121.2%，对所提出的天线的原型进行了制造和测量。

所提出的天线具有0.74 λ的紧凑λ0 (λ0是工作频段最低频率处的波长）。

测得的 IBW 和 ARBW 分别为 125.2% （1.67–7.26 GHz） 和 120.1% （1.79–7.17 GHz），与仿真结果吻合较好。

该天线在工作频段具有稳定的辐射方向图，并在12.2 GHz时表现出右侧圆极化，峰值增益为6.7 dBi。

圆极化天线

圆极化（CP）天线因其具有低多径干扰和高极化匹配性能的优点，近年来受到广泛关注。

随着无线通信系统的快速和多功能发展，对具有小型化、宽带化和高增益等突出特性的CP天线的需求显著增加。

CP天线的原理是产生两个等大小和90°相位差的正交电场分量3.宽带CP天线设计的典型方法是生成额外的CP点。

因此，已经开发了具有多种模式的各种宽带CP天线。丁和吴引入寄生斑块，产生了12种CP模式和9种CP模式，ARBW分别为24和45使用带有寄生圆形贴片和L形进纸的印刷圆形宽槽。

将两个CP点组合在一起，产生了45%的ARBW，而磁电偶极子天线实现了两种CP模式和47.7%的ARBW7.然而，这些天线的ARBW太窄，无法满足许多实际应用。

为了提高宽带、高增益和良好的单向辐射性能，经常采用交叉偶极子天线。

首先展示了基于两个正交线性偶极子和一个空四分之一相位延迟环的交叉偶极子天线，其ARBW为15.6%8.此后，报道了大量用于宽带辐射的交叉偶极子天线。

例如，使用领结偶极子代替线性偶极子，实现了 51% 的 ARBW9.杨和梁分别引入阶梯矩形斑块和L形偶极子，分别得到55.1%和67.5%的ARBW。

通过引入改进的双腔结构，线性偶极子的ARBW提高到66.7%12.为了进一步提高天线的ARBW，还提出了一些其他设计。

引入72个寄生修饰斑块以产生额外的轴比点，线性偶极子的ARBW因此增加到7.<>%13.ARBW为90.9%，由具有n个不等寄生交叉槽、n个寄生领结片和n个寄生矩形条的交叉领结偶极子实现。

四个方形槽补丁，四个角截断补丁和四个金属柱由王介绍，利用这些耦合旋转单元，激发了94种CP模式，获得了4n%的ARBW15.张用两个正交放置的椭圆偶极子和一个复合腔实现了96.6%的ARBW16.Pan。

引入106块耦合旋转垂直金属板，矩形交叉偶极子天线的ARBW提高到1n%。

尽管在宽带CP天线方面取得了很大进展，但ARBW仍需改进，以满足通信系统的各种实际需求。

提出了一种基于改进交叉偶极子和改进腔的超宽带交叉偶极子CP天线。

改进交叉偶极子和改进腔体的引入可以大大提高CP天线的IBW和ARBW。据所知，IBW 和 ARBW 的测量值分别为 125.2% 和 120.1%，这是最好的结果。

此外，所提出的CP天线可以同时具有0.74 λ的紧凑尺寸0× 0.74 λ0× 0.17 λ0，稳定的辐射方向图以及右侧圆偏振特性，所提出的天线的峰值增益超过12 dBic。

天线

显示了建议的 CP 天线的整体配置，天线主要由改进的交叉偶极子和改进的腔体组成，如图所示。

图1

示意图说明了拟议的CP天线。（a） 拟议的CP天线的3D视图。（b） 交叉偶极子的俯视图。（c） 交叉偶极子的侧视图。（d） 交叉偶极子的底视图。（e） 修改型腔的三维视图。

改进的交叉偶极子包括四个臂和两个空四分之一环，而臂蚀刻在基板的顶层和底层，而相对介电常数为2.2。两个臂位于基板的顶层，另外两个臂位于底层。改进的交叉偶极子的每个臂主要由三角形和扇形扇区的组合组成，尺寸参数如图所示。

图1b

基板顶层和底层的臂通过空四分之一环连接，内半径和外半径为r0和 r1分别。改进的交叉偶极子由同轴线馈入，同轴线的内外导体分别沿y方向连接到基板顶层和底层的臂上。

图1c

空四分之一环的周长约为λg/4 （λg是中心频率处的引导波长），以在同一层的臂之间产生 90° 相移。

考虑到馈电引起的180°相移，实现了CP辐射。图中描述的交叉偶极子。为了实现单向辐射，需要反射器。如图1e，引入了改进的腔体。

空腔由一个矩形空腔、四个耦合旋转的垂直金属板和四个顺序旋转的金属台阶组成。

腔体可以拓宽AR带宽，产生单向辐射方向图，提高视线增益水平，所提天线的优化几何参数列于表中。

表1 所提出的天线的几何参数。

演进

为了阐明所提出的天线的演变，图给出了四个天线，2.Ant.1由传统的交叉偶极子和矩形腔反射器组成。

为了便于比较，偶极子的臂是领结形状，长度为 r2和 θ 的角度1+ θ2.Ant.2由改进的交叉偶极子和矩形腔反射器组成。

Ant.3由改进的交叉偶极子和带有四个耦合旋转垂直金属板的腔反射器制成，如天线配置部分所述，Ant.4（建议的天线）由改进的交叉偶极子和改进的腔组成。

图2

拟议的CP天线的演变，（a） 蚂蚁.1.（b） 蚂蚁2.（c） 蚂蚁3。（d） 蚂蚁

关于 IBW、ARBW 和视线方向增益 （θ = 0°） 的比较如图所示。同时，最小AR远大于3 dB，最小增益小于0 dBic，表明CP性能较差。

此外，很明显增益在大约5.3 GHz时急剧下降，这种现象在以前的工作中已经观察到14.天线高度（28 mm）在该特定频率（5.3 GHz）下约为半波长，产生180°相位差，从而导致增益显着降低。

图3

不同天线之间的性能比较。（a） S11、（b） AR 和 （c） 增益。

为了实现宽带和连续的IBW，在Ant.2中采用了改进的交叉偶极子，这也实现了 122.3% （1.78–7.38 GHz） 的更宽和连续的 IBW。

同时，ARBW扩大到60.9%。但是，AR的带宽是不连续的（3.05-4.2 GHz和5.45-7.31 GHz），此外天线的最小增益刚刚超过0 dBic。

因此，将四个耦合旋转的垂直金属板引入Ant.2的矩形腔中以获得Ant.3，以提高ARBW和增益。

值得注意的是，Ant.3的ARBW提升至80.7%，天线增益明显提高，在整个工作频段均大于3 dBi。

3块垂直金属板改进了交叉偶极子与腔体反射器之间的耦合，从而改善了ARBW和增益，同时产生更多的CP点。

为了获得宽带和连续的ARBW，在腔体反射器中进一步引入了四个顺序旋转的金属台阶。

所提出的天线在5.3 GHz左右的辐射特性得到改善，因此其IBW和ARBW分别提高到128.9%和121.2%。

重要的是，ARBW完全定位在IBW的频谱范围内，这表明天线实际上可以同时具有宽的IBW和ARBW，这对于卫星通信系统、雷达、全球导航卫星系统（GNSS）和射频识别（RFID）系统等现代无线通信系统至关重要。

此外，所提天线的增益显著提高，视轴方向的最小增益大于7.5 dBic，进一步证明了该天线的突出特性。

四个连续旋转的金属阶跃反射的电磁波（5.3 GHz）可以很好地干扰改进的交叉偶极子，因此IBW、ARBW 和视线增益得到增强。

除了宽 IBW、ARBW 和高增益等出色性能外，所提出的天线还清楚地观察到了分别位于 1.8 GHz、2.7 GHz、4 GHz、5.3 GHz 和 6 GHz 的五种主要 CP 模式。

为了进一步弄清楚2种CP模式的工作原理，仿真了这7种主要CP模式的电流分布。

电流主要分布在n的改进交叉偶极臂上，表明交叉偶极子在这个CP点上起着至关重要的作用。

对电流不仅分布在改进的交叉偶极臂上，而且还出现在改进的腔体上。

引入改进的腔体可以平衡电流分布，并在t = 0和t = T/4处产生可比较的正交电流强度。

因此，实现了良好的CP性能，此外可以清楚地看到，所有五种CP模式都存在逆时针电流旋转方向，这反过来又在+ z方向上产生右旋圆极化。

图4 所提出的CP天线的模拟表面电流分布

参数

进一步对IBW和ARBW进行了参数研究，以更好地了解所提出的天线。

这里，交叉偶极子臂的长度（r2和 r3）、交叉偶极臂的角度、耦合旋转垂直金属板的位置和尺寸，以及高度（h1）的顺序旋转金属台阶进行分析。

图5 不同r的影响2和 r3在 S 上11和 AR。（a） S11， （b） AR.

图5用r 显示天线的 IBW 和 ARBW2从 25.0 到 29.0 mm 和 r 不等3范围分别为 12.5 至 16.5 毫米。

很明显，IBW 高度依赖于 r2和 r3.r 的微小变化2或 r3可能导致 IBW 的明显变化。

相比之下，r2和 r3对ARBW的影响可以忽略不计。θ1和 θ2然后改变以研究对 IBW 和 ARBW 的影响。

图6 不同θ的影响1和 θ2在 S 上11和 AR。（a） S11， （b） AR.

可以清楚地观察到，随着 θ 的变化，IBW 略有变化1和 θ2.而 θ1和 θ2可以显着改变天线在整个工作频段的ARBW。

此外，还研究了修正型腔内耦合旋转垂直金属板的位置和尺寸的影响。

图7 不同m和n对S的影响11和 AR。（a） S11， （b） AR.

随着 m 从 29.0 到 33.0 mm 和 n 从 45.7 到 47.7 mm 的变化，IBW 几乎保持不变，ARBW 在操作频段的中低频处略有变化，最后研究了修正腔内顺序旋转的金属台阶高度的影响。

图8 不同h的影响1在 S 上11和 AR。（a） S11， （b） AR.

当 h1从 0 到 16 毫米不等，IBW 几乎保持不变，然而ARBW 高度依赖于1.综上所述，天线的IBW由交叉偶极臂的尺寸（长度和角度）决定，ARBW由交叉偶极臂和改进腔决定。

有效性

为了验证所提天线的有效性，制作了一个原型，并在图中进行了说明。

S参数是使用安捷伦N5222B网络分析仪测量的。使用Satimo系统在消声室中测量天线的AR，增益和辐射方向图。

图9 拟议天线的照片。（a） 拟议天线的俯视图。（b） 萨蒂莫系统中拟议的天线。

图10显示模拟和测量的 S11、所提天线的AR和视线增益特性。

可以清楚地观察到模拟和测量之间的良好一致性。测量的IBW和ARBW分别为125.2%和120.1%与210%的模拟几乎相同。

值得注意的是，整个AR通带完全在阻抗通带内，因此,可用带宽宽达 120.1%。

在7.3 GHz和12.2 GHz时，测得的最小和峰值视线增益分别为5.4 dBic和6.7 dBic，这与仿真结果吻合良好，表明天线性能出色。

图10 所提天线的仿真和实测结果。（a） S11、（b） 应收账款和增益。

图显示了所提出的天线在XOZ和YOZ平面中在1.8 GHz、2.7 GHz、4 GHz、5.3 GHz和6 GHz的归一化辐射图。

图11 11

仿真和测量了所提出的CP天线的归一化辐射方向图。（a） 1.8千兆赫，（b） 2.7千兆赫，（c） 4千兆赫，（d） 5.3千兆赫，（e） 6千兆赫。可以清楚地看到，随着频率的增加，天线的3 dB波束宽度变窄。

随着频率的增加，分布在腔体上的电流变大，加强了腔体与交叉偶极子之间的相互作用，从而导致主光束变窄。

同极化RHCP场在视轴方向上比交叉极化LHCP场强约20 dB，表明它是一种良好的RHCP天线。

此外，对于 1.8 GHz、2.7 GHz 和 4 GHz 的频率，天线在 − 30° 至 30° 的宽角度范围内表现出 RHCP 辐射特性。

当频率增加到5.3 GHz/6 GHz时，高阶模式被激发，导致LHCP分量快速增加和旁瓣出现，进而导致天线在大角度下的RHCP性能下降和主波束变窄10,16.特别是，天线高度（28 mm）在5.3 GHz时约为半波长，产生180°相位差。

修改的交叉偶极子干涉产生的信号与改进腔反射的信号具有破坏性，从而产生不对称的辐射图。

因此，这种天线在高频和大角度下的应用受到限制。

然而，该天线仍然可以保持−15°至15°之间的RHCP辐射，进一步证明了该天线出色的RHCP特性。

表2 这项工作与参考文献的比较。

最后，从整体尺寸、IBW、ARBW 和峰值增益的角度对这项工作与早期设计进行了比较，比较结果列于表2，显示出非常广泛的变化。

从表中可以看出，交叉偶极子天线具有最宽的 IBW 和 ARBW。然而，所提出的交叉偶极子天线的整体尺寸非常紧凑。

结语

提出了一种具有改进的交叉偶极子和改进腔体的超宽带交叉偶极子CP天线。所提出的天线具有0.74 λ的紧凑λ0.测得的 IBW 和 ARBW 分别为 125.2% 和 120.1% （1.79–7.17 GHz），比以前的工作要好得多。

该天线还具有良好的辐射方向图，并在12.2 GHz时表现出峰值增益约为6.7 dBi的RHCP波。

因此，所提出的天线在卫星通信系统、雷达、GNSS和RFID系统等现代宽带无线通信系统中具有巨大的应用潜力。