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Compact CPW-Fed Dual-Band Linearly and Circularly Polarized Monopole Antenna for WiMAX and WLAN

Qiang Chen, Hou Zhang and Xue-liang Min, University of Airforce Engineering, Xi'an; Lu-Chun Yang, China Mobile Ltd., Shenzhen

(注：閱讀包含圖、表、公式、參考文獻的全文請點擊最下方的“”)

緊湊型雙頻帶線極化和圓極化單極天線采用倒L形不對稱接地平面，由共面波導(CPW)饋電。倒L形帶在接地平面和單極子中產生與最初線極化(LP)所不同的正交分量。通過在接地平面嵌入狹縫，該天線實現了寬阻抗帶寬和圓極化。測量表明，3.3至9GHz的10dB帶寬為92.7%，5至9GHz的3dB軸比(AR)帶寬為57.1%，能夠覆蓋5.725至5.85GHz的WLAN頻段。同時，還可實現覆蓋3.3至3.7GHz WiMAX頻段的線極化。與其它近期研究相比，本天線的關鍵特征在于軸比和阻抗帶寬更寬，以及結構更簡單緊湊。

圓極化輻射廣泛應用于通信、雷達和電子對抗領域^1-3。為實現圓極化，人們提出了多種印刷單極子方案^4-10。Augustin和Denidni⁴設計了一種具有梯形結構的多波段共面單極天線。Wang和Hisao⁵提出了利用非對稱接地平面，通過簡單地調節共面波導接地平面寬度從而在1.57GHz處激發圓極化。Ghobadi和Dehmollaian⁶在簡單印刷單極子中引入了兩個不同長度的臂來實現圓極化。此外，還有采用接地平面開縫⁷、四凹槽⁸、U形和E形槽改變饋電點位置⁹、單級子開槽¹⁰、S形槽¹¹、接地平面上的倒L切口以及三個Wilkinson功率分配器組成的饋電網絡¹²。以上都是制造圓極化單極天線的各種方案。

由于這些方案所實現的圓極化帶寬都很窄，又有一系列寬帶圓極化單極天線被提出來^13-16。Kumar和Harish¹³介紹了一種帶有功分網絡的單極縫隙天線，調節其縫隙大小可實現30%的軸比帶寬；但同時它尺寸很大，幾何形狀復雜。通過并排對準倒L形帶，并在接地平面上切割出倒L凹槽，可實現大于30%的圓極化帶寬¹⁴。月牙形¹⁵和犄角形¹⁶的單極天線同樣能夠實現寬帶圓極化輻射。然而，大多數具有縫隙和短截線或是內置有復雜結構^13-18的寬帶圓極化單極天線尺寸都很大。

本文提出了一種新穎的緊湊型雙頻線極化和圓極化單極天線，它具有倒L形單極子和非對稱接地平面，可用于WiMAX和WLAN。

天線結構

共面波導饋電單極天線最終的幾何結構如圖1所示。天線印刷在介電常數為4.4、損耗角正切為0.02的FR4基板上。通過在非對稱接地平面左側蝕刻一道狹縫，可激發寬帶圓極化并實現良好的阻抗匹配。為了取得更寬的阻抗帶寬，我們在不對稱接地面以及單極輻射器的底部加入了阻抗匹配結構。通過調整倒L形帶的尺寸以及接地平面狹縫的長度可得到兩個相鄰的圓極化模，從而實現寬帶圓極化。為了在保持回波損耗優于10dB的同時最大化3dB軸比帶寬，我們采用HFSS對倒L形帶、狹縫長度和CPW饋線的尺寸進行了最優計算(參見表1)。

圖2所示是對本設計進行驗證的過程中構建的四個原型。圖3a和3b分別比較了它們的S₁₁和軸比。對于傳統單極子而言，由于垂直方向上輻射強度弱，因此難以產生圓極化。這一點在圖4a中由電場矢量所體現。兩個接地平面的垂直電場矢量朝向相反方向，疊加導致垂直分量很小。因此，圖3b中可以看到具有較大軸比值的水平線性極化(天線II)。

一般來說，圓極化由兩個具有相同振幅和90°相位差的正交E矢量生成，定義如下：

其中E是瞬時電場矢量，E_Hor和E_Ver表示水平和垂直平面中對應的電場矢量，δ為相位差。若E_Hor與E_Ver振幅相等，δ等于±90度，則極化波為右旋圓極化(RHCP)或左旋圓極化(LHCP)¹⁸。極化特征可通過軸比來體現，分為RHCP或LHCP^19-20，并由下式表達：

線極化、圓極化和橢圓極化(EP)為極化的三種形式。要實現完全線極化，軸比需要無限大；完全圓極化則需要軸比為0dB；橢圓極化則處于二者之間。由于軸比為0dB的完全圓極化波為理想情況，通常可認為圓極化軸比值小于3dB。

裝有倒L形帶饋源的不對稱接地平面能生成E_Hor和E_Ver，但同時也會激發橢圓極化。因此，我們采用一個左接地面開有水平縫隙的不對稱接地平面來產生具有90度相位差的兩個正交模。如此一來，E_Hor和E_Ver的振幅幾乎相等、相位差為90°，從而激發圓極化(參見圖3b及4b中的天線III和IV)。如圖4b所示，垂直極化分量由不對稱接地平面生成，后者在右接地面中產生垂直磁場矢量。為了實現更寬的阻抗匹配帶寬，我們引入匹配結構，改進結果可見圖3a(天線IV)。

參數分析

圓極化主要取決于倒L形帶的尺寸、接地平面的高度以及狹縫的長度。圖5顯示了HFSS優化后每個正交極化的表面電流分布情況，最優尺寸列于表1中。

圖6顯示了7GHz下L₁和d對天線阻抗匹配和軸比影響的MATLAB仿真結果。仿真及分析表明，L₁=6.25mm且d=3.25mm時達到最佳阻抗和軸比特性。不同L_f值對應的S₁₁和軸比曲線如圖7所示。當L_f從21mm變化到23mm時，可以看到阻抗匹配變好且S₁₁極小值下移。同時，無論L_f大于或小于22mm，圓極化性能指標都會變差。S₁₁和軸比的最優情況都出現在22mm左右。圖8為不同S_y值所對應的S₁₁和軸比曲線。當S_y增大時，反射系數曲線的第二諧振頻率向上移動。第一和第二圓極化模也向上移動，加寬了軸比帶寬。為了同時實現良好的反射系數和軸比，必須在選擇S_y時進行權衡；S_y值約為2.75mm時，達到最佳S₁₁和軸比特性。

圖9截取了5.6GHz時貼片的磁場由0度旋轉至270度過程中四個不同時刻磁場矢量分布情況的仿真結果。隨著時間的增加，磁場矢量順時針旋轉，表明z>0時為LHCP，即空間上半部分。相應的，RHCP對應z<0或空間下半部。

仿真和測量

我們通過HFSS對天線完成了仿真，并依照表1的最優尺寸進行制造。仿真情況下和實際測得的天線S₁₁和軸比值與頻率的關系如圖10所示。3.3至9GHz對應實測和仿真阻抗帶寬為92.7%。對于5至9GHz，中心頻率7GHz，圓極化帶寬為57.1%。這一性能表現可實現5.725至5.85GHz WLAN頻段的全覆蓋。同時，線極化可覆蓋3.3至3.7GHz的WiMAX頻段。可以看到除了由于SMA連接器質量不好以及制造公差所導致的出入之外，仿真和測量結果極為一致。

圖11描繪了3.7、5.6和8.3GHz時xoz及yoz平面上天線輻射方向圖的仿真和測量結果，兩者非常接近。當工作頻率較低時，天線垂直極化，輻射圖呈槽狀；在較高頻率上，天線以RHCP/LHCP極化的片狀圖樣輻射。究竟是LHCP或RHCP取決于觀察點是從+Z方向(上半球)還是-Z方向(下半球)。增益和效率與頻率的關系如圖12所示。

小結

緊湊型雙頻帶線極化和圓極化單極天線通過結合倒L形帶和水平狹縫，實現兩個相鄰圓極化模的耦合，從而得到較寬的3dB軸比帶寬。仿真結果顯示10 dB阻抗帶寬為92.7%(3.3至9GHz)，3dB軸比帶寬為57.1%(5至9GHz)，且與測量數據吻合良好。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的rtklib 天线相位中心_(原文链接错，重发)用于WiMAX和WLAN的紧凑型共面波导馈电双频线极化和圆极化单极天线（原载于微波杂志19年7/8月号）...的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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