0 引言

近年來,，隨著現(xiàn)代微波通信的發(fā)展,，寬帶圓極化微帶天線的發(fā)展越來越受到研究者的重視,，各種形式的寬帶圓極化微帶天線層出不窮,。而左手材料則以其基于集總電容、電感周期加載結(jié)構(gòu)的形式更被廣泛地應(yīng)用到寬帶化,、小型化微波器件領(lǐng)域,。在有關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種中心頻率為1．8 GHz的寬帶90°功分移相器，并通過L型探針結(jié)構(gòu)給微帶貼片饋電,，從而提高了這種天線的圓極化帶寬,。

1 天線結(jié)構(gòu)

該天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖l所示。該天線通過Wilkinson功分移相器將輸入能量分成兩路幅值相同,、相位差為90°的信號,。這兩路信號通過探針耦合饋電到圓形輻射貼片。這種結(jié)構(gòu)可以在金屬棒和天線金屬片之間引入更大的容抗,，從而可以補償探針本身帶進來的高感抗,，進一步增加天線和底板之間的高度。為了盡最大可能增加帶寬,，本設(shè)計引入的混合空氣介質(zhì)層不失為一個非常有效的方法,，該方法不但可以方便地得到介電常數(shù)為1的空氣層，而且可以在普通的介質(zhì)層上方便的印刷饋電網(wǎng)絡(luò),。為了擴展天線的圓極化帶寬,，本文使用了寬帶圓極化天線結(jié)構(gòu)，該天線由三部分組成,，其中基于介質(zhì)板的饋電網(wǎng)絡(luò)層的輸入特征阻抗為50Ω,，介質(zhì)板為邊長W的正方形；而處在空氣層中半徑為Rs的L型金屬棒的長度為L1,，高度為H1,，超出天線的邊緣距離為S1；第三部分是用于輻射的金屬片,，其直徑為D,，離地面的高度為H。

圓形貼片的主模是TMll模,，根據(jù)上述天線結(jié)構(gòu),，TMll模的場能量集中在空氣層。若激勵單元的諧振頻率為f,，激勵模式為TMll模,。那么，當(dāng)貼片形狀為圓形,，激勵板半徑為a時,，則有：

根據(jù)上述公式，選擇基片的介電常數(shù)和厚度,，就可以得到需要頻率點的初始圓形貼片尺寸,。本設(shè)計選擇基片厚度為0．8 mm，介電常數(shù)為2．2的介質(zhì)板Arlon Diclad 880(tm)做饋電網(wǎng)絡(luò)的基板,，空氣層介電常數(shù)為l,，中心頻率為1．8GHz,。而在確定圓盤高度時，為了擴展帶寬,，可將貼片與基板間距離拉大,，但是，隨著它們之間高度的增大,，方向圖將不再具有良好的輻射特性,，且?guī)捲黾訉⒉辉倜黠@，一般可將高度選擇在0．1～0．15λ之間,，同時為了能讓L型金屬棒起到更好的饋電作用,，這里取H=20 mm(0．11λ)比較合適。通過公式(1)可以得到初始圓形貼片的直徑為104 mm,。其他參數(shù)的取值為：W=180 mm,，L1=36 mm，H1=ll mm,，Sl=14 mm,，Rs=l mm。通過HFSS軟件的優(yōu)化仿真,，可得到最佳貼片直徑D為76．5 mm,。

2 寬帶功分饋電設(shè)計

Wlnkinson功分器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該功分器可以看作一個三端口網(wǎng)絡(luò),。端口1為輸入端,，端口2、3為輸出端,，兩端間互相隔離,。功分器的兩個分支線的特征阻抗是。對兩個輸出端分別加入CRLH-TLs和傳統(tǒng)傳輸線,，則可使兩端口具有90°的相位差。

假設(shè)3端口為普通傳輸線,，在中心頻率f0=1．8 GHz處的相位為-54°,，那么，通過Agilent公司的ADS軟件計算得到的線長為18．3 mm,。由于普通傳輸線的線性特性,，可以很容易得到f1=1．5 GHz和f2=2．1 GHz處的相位分別為φR(f1)=-45°和φR(f)=-63°。
2端口加入CRLH-TLs后,，頻率f1和f2處的相位

根據(jù)式(6)可以得到CRLH-TLs中RH-TLs的結(jié)構(gòu),，再由式(5)、(7)以及匹配阻抗可得到L,、C的大小值,。取N=2,，可得到RH-TLs的長為3．1-mm，LH部分L=11．5 nH,，C=4．6 pF,。這樣，便可使用ADS搭建電路并優(yōu)化仿真,。

3 仿真結(jié)果

圖3所示為仿真得到的S11,、S21、S31,、S22,、S33和S23參數(shù)曲線，圖4所示為加入左手結(jié)構(gòu)后兩端口的相位比較,。

從圖3所示的S參數(shù)曲線和圖4所示的相位比較圖可以明顯發(fā)現(xiàn),，加入CRLH-TLs結(jié)構(gòu)后，兩端口的傳輸特性仍能達(dá)到要求,，而且在1．28～2．53GHz范圍內(nèi)的端口相位差滿足90°±5°,，這是普通微帶線根本無法比擬的。

根據(jù)未加入饋電網(wǎng)絡(luò)時軟件仿真結(jié)果,，本設(shè)計的雙饋點圓極化天線結(jié)構(gòu)的S11小于-lO dB時的帶寬為30％(1．46～1．94 GHz),，增益>5 dB時的帶寬為62．2％(1．25～2．37 GHz)。顯然,，相對于普通介質(zhì)基板的圓極化天線,，新天線的帶寬已有了很大的提高。

4 結(jié)束語

本文用左手微帶線和傳統(tǒng)的右手微帶線分別級聯(lián)在Wilkinson功分器上,，并將其作為寬帶天線的饋電網(wǎng)絡(luò),；從而設(shè)計了一種新型寬帶圓極化貼片天線，該天線在各項性能指標(biāo)上均表現(xiàn)突出,，各項指標(biāo)較傳統(tǒng)雙饋電型圓極化天線均具有顯著提高,。