圆极化天线阵列设计及其性能改善技术的研究.pdf

摘要

随着科技日新月异的进步，无线通信领域的应用也得到了空前的发展，天线作为无线通

信中的一个重要组成部分起着至关重要的作用。相较于线极化天线，圆极化天线具有抗干扰

能力强的优点。近年来，为了实现更好的通信质量，天线的圆极化越来越受到人们的重视。

本文以传统的圆极化天线阵列为基础，分别研究缝隙解耦技术、人工表面等离子体激元(Spoof

surfaceplasmonpolariton,SpoofSPP)和人工局域表面等离子体激元(SpoofLocalizedSurface

Plasmon,SpoofLSP)以及手性超构体对天线的增益、轴比带宽和轴比波束带宽的改善，主要内

容如下：

1.L2×2

设计了一款基于形缝隙解耦的圆极化天线阵列。首先，提出一款基于威尔金森

功分器和移相器的移相馈电网络，并采用该馈电网络激励辐射贴片，构成双层结构的2×2圆

L

极化天线阵列。在此基础上，在辐射贴片上引入形缝隙来改善因上层辐射贴片与下层馈电

网络之间耦合而恶化的轴比。经过测试得到该天线的阻抗带宽为1.68GHz到3.31GHz，相对

带宽为65.2％；轴比带宽为1.86GHz到3.39GHz，相对带宽为61.6％；峰值增益在2.7GHz

处达到7.13dBic。

2.SpoofSPPSpoofLSPI

设计了两个基于和的圆极化天线阵列。天线为双层结构，下

层为移相馈电网络，上层为辐射贴片，两层之间使用金属探针连接。为了进一步提升天线的

增益并拓宽轴比波束带宽，在该天线阵列的基础上引入SpoofSPP和SpoofLSP，利用其对电

III

磁波的局域能力来增强辐射从而提升增益，同时改善天线的轴比波束带宽。天线在天线

的基础上调整了上下层介质基板的距离，并且引入SpoofLSP来改善因两层之间间距过小而

I72%(3.15~6.75GHz)55%(3.97~6.72

恶化的轴比。经过测试，天线可达到测量阻抗带宽和

GHz)11.11dBicII71.8%(3.14~6.73GHz)

测量轴比带宽，峰值增益为。天线可达到测量阻抗

带宽和53.2%(4.10~6.76GHz)测量轴比带宽，峰值增益为12.05dBic。这两款天线具有尺寸

小、增益高的优点。

3.设计了一款基于手性超构体的圆极化天线阵列。该天线分为内外两个部分，内部为双

(ThreeDimensional3D)

层结构的圆极化天线阵列，其中馈电网络采用三维，形式，即将部分馈

电网络垂直下层介质基板放置从而减少馈电网络与辐射贴片的耦合。外部为周期排列有手性

超构体单元的外框，该手性超构体单元在4.9~5.2GHz频段内具有良好的圆二色性。因此，

利用手性超构体对左旋圆极化(Left-handedCircularlyPolarized，LHCP)和右旋圆极化

(Right-handedCircularlyPolarized，RHCP)的差分吸收来改善天线的轴比波束带宽。此外，外

框背面的金属也能增强反射，有效提高增益。经过加工测试得到该天线可达到80%(2.81~6.81

I

GHz)的阻抗带宽，轴比带宽为70.8%(3.68~7.22GHz)，峰