基于基模谐振的微带环形扇区天线实现倾斜波束双圆极化辐射的创新设计

《IEEE Access》：Microstrip Ring Sector Dual-Circularly Polarized Antenna with Tilted Beams

本文报道了一种创新型微带环形扇区双圆极化天线设计，该设计通过多模谐振理论优化天线结构，成功实现了倾斜波束的双圆极化辐射。研究人员针对传统双圆极化天线结构复杂、集成难度大的问题，提出了一种基于基模谐振的单层单馈电微带天线解决方案。实验结果表明，该天线在2.31-2.74 GHz频段内实现了17.1%的阻抗带宽，在φ=90°平面上θ=-25°、+25°和+30°方向分别获得14.5%、12.0%和13.6%的3dB轴比带宽，峰值增益达到4.80 dBic。这项研究为通信和传感应用中需要低成本、小尺寸双圆极化天线的场景提供了创新解决方案。

　　

在现代无线通信系统中，双圆极化天线因其能够提供更高的频谱效率、降低极化失配损耗以及增加系统容量而备受关注。这类天线在无线通信、卫星通信、车联网以及雷达探测等领域都具有重要应用价值。然而，现有的双圆极化天线设计往往面临着结构复杂性的挑战，无论是采用偏振旋转人工磁导体、超表面极化转换器，还是复杂的馈电网络，都会导致天线剖面增加、制造成本上升和系统集成困难。

传统上，双圆极化天线主要分为三类：双频双圆极化天线、宽频双圆极化天线和双向圆极化天线。尽管这些设计在各自的应用场景中表现出色，但它们普遍存在一个共同缺陷——需要借助外部电路或多层结构来实现功能，这在一定程度上限制了其在成本敏感和尺寸受限场景中的应用。因此，开发一种结构简单、基于基模谐振的单层双圆极化天线成为了天线设计领域的一个重要研究方向。

在这项发表于《IEEE Access》的研究中，南京工业大学的余建团队提出了一种创新的微带环形扇区双圆极化天线设计，该设计通过系统性的几何优化，在单层单馈电结构上实现了倾斜波束的双圆极化辐射。研究人员基于多模谐振理论，通过调节扇形展开角α和半径比γ，成功设计了关于xoz平面对称的左旋/右旋圆极化波束倾斜。

研究团队首先通过理论分析揭示了在不同扇形展开角和半径比条件下，环形扇区天线在基模谐振频率处的电场分量相位和幅度关系。研究发现当α∈(180°, 270°)时，天线在基模谐振频率处能够产生等幅度、正交的电场分量，满足圆极化产生的条件。

为实现单方位角平面上的双感TCP波束，研究团队进一步研究了在固定角度α=180°时倾斜角对γ的依赖性。当γ=3.0/4.0时，在yoz平面(即φ=90°)实现了对称的LHCP和RHCP波束，使辐射方向关于方位角轴对称对齐。

天线设计方面，研究团队选择α=180°、γ=4.0、外弧长L=1.0λ的环形扇区贴片天线作为基线设计。根据多模谐振理论，计算出归一化外半径b=0.318，最终确定了天线几何结构。同时，第一特征模(基模，TM_1,1模)能够被充分激发。为优化阻抗匹配，同轴探针沿角平分线(+x轴)定位，与最强电流区域对齐。

研究人员采用了几项关键技术方法：基于多模谐振理论的天线结构优化设计、参数化仿真分析馈电位置对性能的影响、电磁仿真软件ANSYS HFSS进行性能验证、实验测量验证仿真结果。这些方法的综合运用确保了天线设计的科学性和可靠性。

辐射行为分析

研究人员在5.0mm厚的空气基板(ε_r=1.0)上实现了所提出的双圆极化天线，工作基模谐振频率为2.45GHz。通过模拟电场分量的相位和幅度关系，发现在f=2.49GHz(φ=90°,θ=-25°)和f=2.53GHz(φ=90°,θ=+25°)处满足圆极化辐射的相位条件，分别表现出-90°/+90°的相位差。在考虑的频率范围和倾斜角内，电场分量保持几乎相等的幅度，确认符合圆极化等幅度准则。

参数化研究

为实现更好的阻抗匹配并进一步提高天线性能，研究人员进行了参数化仿真以分析馈电引脚位置r的影响。如图5所示，反射系数对r表现出强烈的敏感性，主要影响天线的谐振频率，而轴比随r的变化最小，确认馈电位置主要控制阻抗特性而非极化纯度。在r=25.0mm处获得最佳性能，产生16.1%的阻抗带宽(|S₁₁|<-10dB)和在φ=90°处24.6%(θ=-25°)和22.3%(θ=+25°)的轴比带宽。

数值与实验验证

研究人员制作了天线原型并进行实验验证。模拟的电场和表面电流分布验证了TM_1,1模的理论分析，显示在2.46GHz处激发了TM_1,1模，仿真结果与理论预测一致。

测量结果显示谐振频率为2.49GHz，比模拟值2.46GHz上移1.2%。测量的-10dB反射系数带宽达到17.1%(2.31-2.74GHz)，略大于模拟带宽16.1%(2.28-2.68GHz)。在轴比性能方面，测量的3dB轴比带宽分别为14.5%(φ=90°,θ=-25°)、12.0%(φ=90°,θ=+25°)和13.6%(φ=90°,θ=+30°)，虽然比模拟值略窄，但充分覆盖了大部分阻抗带宽，验证了所提出的设计。

辐射模式比较显示，仿真和测量之间具有高度一致性，确认了在同一方位角平面上同时产生LHCP和RHCP波束。模拟的三维远场辐射模式证实了明确的对称双圆极化辐射特性，仿真增益达到约5dBic，特别是在所需的倾斜方向上。

所提出的天线在其阻抗带宽内表现出稳定的辐射增益。在θ=-25°、+25°和+30°(φ=90°)处的平均增益分别为4.22、4.35和4.35dBic，最大增益达到4.55、4.74和4.80dBic。测量的辐射效率平均为88%，表现出良好的性能。

研究结论表明，这种新型环形扇区双圆极化天线通过 radically 简化的架构实现了倾斜波束辐射。关键创新在于在战略设计的环形扇区贴片几何结构中利用基模谐振，避免了传统设计所需的复杂馈电网络或极化转换器。实验验证了其稳健的性能，包括17.1%的阻抗带宽、14.5%的3dB轴比带宽和4.8dBic的增强增益，所有这些都在低剖面结构(0.041λ)内实现。这种产生对称LHCP/RHCP波束的能力不仅增强了信号多样性并减轻多径效应，而且建立了一种新的设计方法，更注重几何创新而非电路复杂性。

与现有技术相比，该设计在阻抗带宽和轴比带宽方面表现出优越性能，同时保持了结构简单性的显著优势。与依赖多层堆叠、复杂馈电网络或外部极化器的设计相比，所提出的天线采用单层单馈电结构，显著降低了制造复杂性、成本和剖面。因此，这种设计在性能、复杂性和成本之间取得了出色平衡，为集成水平和成本是关键考虑因素的应用提供了极具吸引力的解决方案。

这项研究为微带天线设计领域带来了重要创新，通过理论分析与实验验证相结合的方法，证实了基于基模谐振的单层结构实现双圆极化倾斜波束辐射的可行性。未来工作可以进一步探索通过优化扇形展开角或半径比实现天线小型化的潜力，以及将该设计理念扩展到其他频段和应用场景的可能性。