用于移动通信的新型宽带全向圆极化天线研究

1 引言

无线通信基站和移动终端均需要全向天线以保持与不同方位的目标进行通信。圆极化天线可以保证信号传输的稳定性。因此目前已有不少关于全向圆极化天线的研究，参考文献^[1]-[2]均采用了环偶极子模型，这些设计结构简单，但尺寸相对较大，带宽最大为7.4%^[2]；参考文献^[3]-[4]采用了微带天线来实现全向圆极化辐射，此类天线具有低剖面的优点，但作为谐波天线，带宽很窄；参考文献^[5]利用圆极化器来实现全向圆极化辐射，但结构相对复杂，且不易实现宽带。所有这些设计的共同问题均是带宽不足，这成为制约全向圆极化天线广泛应用的主要因素。

参考文献^[7]提出的圆极化矩形环天线具有~50%的圆极化带宽。本设计通过将印制有四个相同宽带圆极化矩形环天线的柔性介质板卷曲成空心介质柱来实现宽带全向圆极化辐射。设计宽带巴伦结构对其馈电以满足2GHz附近的移动通信需要。

2 天线结构

天线结构如图1（a）所示，四个宽带圆极化矩形环天线印制在柔性介质板上，并将其弯曲成柱形以实现水平面上的全向辐射。单个辐射单元结构如图1（b）所示，通过在主辐射环长边上开缝激励起行波，从而实现较宽频带内的圆极化辐射。同时在内部添加两个开缝的寄生矩形环，来进一步增加带宽。通过在空心介质柱中插入金属反射柱来改善天线的圆极化性能。金属反射柱中部留有空隙（g₁）用来放置宽带巴伦结构（如图1（a）所示）。

(a) (b)

(c)

图1 宽带全向圆极化天线仿真模型 (a)天线结构
(b)单元结构 (c)俯视图

宽带巴伦结构如图1（c）所示，由于微带线-缝隙耦合可保证在很宽的频段内实现阻抗匹配，本馈电结构正是基于此，利用介质板两侧微带线和缝隙之间的耦合来实现宽频段内的阻抗匹配，通过调整缝隙长度sl和微带线长度l5使其阻抗匹配达到最佳。

图1中各参数尺寸如表1所示。此外，主辐射环和寄生环线宽分别为6mm和3mm，环上缝隙宽度分别为3mm和1.5mm。金属反射柱厚度为1.5mm。论文中所提到的轴比为水平面上的平均轴比，它是取水平面上均匀24个点的轴比平均值。此天线辐射左旋圆极化波，可以通过改变环上缝隙位置来改变其极化旋向。

表1 图1中各参数尺寸