移动通信中的双向圆极化微带天线的设计

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。

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π /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。