小型圓極化天線帶寬展寬技術(shù)的多維度探索與實踐一、引言1.1研究背景與意義在當今數(shù)字化、信息化的時代，無線通信技術(shù)取得了飛速發(fā)展，從早期的模擬通信到如今的5G甚至6G通信，不斷地推動著社會的進步和人們生活方式的變革。在這個龐大而復雜的無線通信體系中，天線作為實現(xiàn)無線信號發(fā)射和接收的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個通信系統(tǒng)的質(zhì)量和效率，而小型圓極化天線更是在眾多應(yīng)用場景中扮演著舉足輕重的角色。小型化是現(xiàn)代天線發(fā)展的重要趨勢之一。隨著電子設(shè)備朝著便攜化、輕量化和多功能化方向發(fā)展，對天線的體積和重量提出了嚴格的要求。例如，在智能手機、平板電腦、可穿戴設(shè)備等移動終端中，內(nèi)部空間極為有限，需要天線能夠在狹小的空間內(nèi)高效工作。小型圓極化天線能夠在滿足設(shè)備小型化需求的同時，實現(xiàn)穩(wěn)定的信號傳輸，為這些設(shè)備的正常運行提供了保障。以蘋果公司的iPhone系列手機為例，為了在有限的機身空間內(nèi)實現(xiàn)多種通信功能，就采用了小型化的圓極化天線技術(shù)，確保用戶在通話、上網(wǎng)、定位等操作時能夠獲得良好的信號質(zhì)量。圓極化天線在通信領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢。與線極化天線相比，圓極化天線輻射的電場矢量在空間中旋轉(zhuǎn)，形成圓形軌跡，這使得它在接收信號時，對極化方向的要求不那么苛刻，能夠有效地克服多徑干擾和衰落效應(yīng)。在復雜的通信環(huán)境中，例如城市高樓林立的街道、室內(nèi)的多反射環(huán)境，信號會經(jīng)過多次反射和散射，導致極化方向發(fā)生變化。此時，圓極化天線能夠更好地接收信號，提高通信的可靠性和穩(wěn)定性。在衛(wèi)星通信中，由于衛(wèi)星與地面站之間的距離遙遠，信號在傳輸過程中容易受到大氣層等因素的影響，圓極化天線能夠穿透電離層，減少信號的衰減，保證衛(wèi)星通信的質(zhì)量。帶寬展寬對于小型圓極化天線的性能提升和應(yīng)用拓展具有關(guān)鍵意義。傳統(tǒng)的小型圓極化天線往往存在帶寬較窄的問題，這限制了其在多頻段通信和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴膽?yīng)用。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對天線的帶寬要求越來越高。在5G通信中，需要天線能夠覆蓋多個頻段，以滿足不同業(yè)務(wù)的需求。展寬小型圓極化天線的帶寬，可以使其能夠同時工作在多個頻段，實現(xiàn)多功能通信，提高天線的利用率。在高速數(shù)據(jù)傳輸中，較寬的帶寬能夠提供更大的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足用戶對高清視頻、虛擬現(xiàn)實等大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的需求。小型圓極化天線帶寬展寬的研究具有重要的理論和實際意義。從理論上看，它有助于深入理解天線的輻射機理和極化特性，推動天線理論的發(fā)展；從實際應(yīng)用角度出發(fā)，它能夠為無線通信、衛(wèi)星通信、雷達探測、物聯(lián)網(wǎng)等眾多領(lǐng)域提供性能更優(yōu)越的天線解決方案，促進這些領(lǐng)域的技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，進而推動整個社會的信息化進程。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀小型圓極化天線帶寬展寬的研究一直是天線領(lǐng)域的熱點話題，國內(nèi)外眾多學者和研究機構(gòu)投入了大量精力，取得了一系列有價值的成果，同時也存在一些有待進一步解決的問題。國外在小型圓極化天線帶寬展寬研究方面起步較早，在理論研究和實際應(yīng)用方面都處于領(lǐng)先地位。美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)的知名高校和科研機構(gòu)，如美國的斯坦福大學、日本的東京大學、德國的弗勞恩霍夫協(xié)會等，在該領(lǐng)域開展了深入研究。斯坦福大學的科研團隊利用電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)來改善天線的帶寬和輻射性能。EBG結(jié)構(gòu)具有抑制表面波傳播的特性，能夠減少能量損耗，從而展寬天線的帶寬。通過在天線周圍引入EBG結(jié)構(gòu)，他們成功地將小型圓極化天線的帶寬提高了[X]%，同時優(yōu)化了天線的輻射方向圖，提高了天線的增益。東京大學的研究人員則從饋電網(wǎng)絡(luò)入手，提出了一種新型的寬帶饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。這種饋電網(wǎng)絡(luò)采用了多層結(jié)構(gòu)和特殊的阻抗匹配技術(shù)，能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)良好的阻抗匹配，從而有效地展寬了天線的帶寬。實驗結(jié)果表明，采用該饋電網(wǎng)絡(luò)的小型圓極化天線帶寬達到了[具體帶寬數(shù)值]，覆蓋了多個通信頻段，滿足了多頻段通信的需求。國內(nèi)的研究近年來也取得了顯著進展，眾多高校和科研院所積極參與其中。清華大學、西安電子科技大學、北京航空航天大學等在小型圓極化天線帶寬展寬研究方面成果豐碩。清華大學的研究團隊通過對天線結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，提出了一種基于分形結(jié)構(gòu)的小型圓極化天線。分形結(jié)構(gòu)具有自相似性和空間填充性，能夠在有限的空間內(nèi)增加天線的有效電長度，從而實現(xiàn)小型化和寬帶化。他們設(shè)計的分形天線在保持較小尺寸的同時，帶寬得到了大幅提升，達到了[具體帶寬數(shù)值]，并且在寬頻帶內(nèi)保持了良好的圓極化特性。西安電子科技大學的學者們則將超材料應(yīng)用于小型圓極化天線的設(shè)計中。超材料具有獨特的電磁特性，如負介電常數(shù)、負磁導率等，能夠?qū)μ炀€的電磁環(huán)境進行調(diào)控，進而改善天線的性能。通過在天線中引入超材料，他們實現(xiàn)了天線帶寬的展寬和增益的提高，為小型圓極化天線的設(shè)計提供了新的思路。盡管國內(nèi)外在小型圓極化天線帶寬展寬方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。一方面，部分展寬帶寬的方法會導致天線結(jié)構(gòu)復雜，增加了制作成本和工藝難度。例如，一些采用多層結(jié)構(gòu)或復雜饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，雖然能夠有效地展寬帶寬，但在實際制作過程中，需要高精度的加工工藝和嚴格的制作流程，這不僅增加了生產(chǎn)成本，還降低了天線的生產(chǎn)效率。另一方面，一些天線在展寬帶寬的同時，可能會犧牲其他性能，如增益、輻射效率等。在追求寬帶化的過程中，如何在保證天線其他性能不受影響的前提下，進一步展寬帶寬，仍然是一個亟待解決的問題。目前，國內(nèi)外對于小型圓極化天線帶寬展寬的研究在理論和實踐上均取得了一定突破，但仍有廣闊的研究空間，需要進一步探索新的理論、方法和技術(shù)，以實現(xiàn)小型圓極化天線性能的全面提升。1.3研究內(nèi)容與方法本研究聚焦于小型圓極化天線帶寬展寬這一核心問題，圍繞天線結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論分析、仿真優(yōu)化以及實驗驗證等多個方面展開深入研究，旨在提出創(chuàng)新性的設(shè)計方法和解決方案，以實現(xiàn)小型圓極化天線帶寬的有效拓展，并確保其在寬頻帶范圍內(nèi)具備良好的性能。具體研究內(nèi)容如下：小型圓極化天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化：深入研究多種新穎的天線結(jié)構(gòu)，如分形結(jié)構(gòu)、超材料結(jié)構(gòu)、電磁帶隙結(jié)構(gòu)等，分析這些結(jié)構(gòu)對天線帶寬和圓極化性能的影響機制。通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，如分形結(jié)構(gòu)的迭代次數(shù)、超材料結(jié)構(gòu)的單元尺寸和排列方式、電磁帶隙結(jié)構(gòu)的周期和尺寸等，利用電磁仿真軟件進行仿真分析，優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)，以達到展寬帶寬和改善圓極化性能的目的。例如，在分形結(jié)構(gòu)的研究中，探索不同迭代次數(shù)下分形天線的帶寬變化規(guī)律，找到使帶寬最大化的最優(yōu)迭代次數(shù)。寬帶饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與分析：針對小型圓極化天線，設(shè)計新型的寬帶饋電網(wǎng)絡(luò)，如多級RC-CR級聯(lián)電路饋電網(wǎng)絡(luò)、多層結(jié)構(gòu)饋電網(wǎng)絡(luò)等。研究饋電網(wǎng)絡(luò)的電路參數(shù)，如電阻、電容、電感的值，以及傳輸線的特性阻抗、長度和寬度等，對天線帶寬和阻抗匹配的影響。運用電路理論和電磁理論，分析饋電網(wǎng)絡(luò)的工作原理，通過仿真和理論計算，優(yōu)化饋電網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，實現(xiàn)天線在寬頻帶內(nèi)的良好阻抗匹配，從而展寬天線的帶寬。小型圓極化天線的性能分析與評估：對設(shè)計的小型圓極化天線進行全面的性能分析，包括帶寬、軸比、增益、輻射效率等性能指標的計算和仿真分析。研究天線在不同工作頻率下的性能變化規(guī)律，分析帶寬展寬對其他性能指標的影響。例如，觀察在展寬帶寬的過程中，軸比是否在可接受范圍內(nèi)，增益和輻射效率是否保持穩(wěn)定等。建立性能評估模型，綜合考慮各項性能指標，對天線的整體性能進行評估，為天線的進一步優(yōu)化提供依據(jù)。為了實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究擬采用以下研究方法：理論分析方法：運用經(jīng)典的電磁理論，如麥克斯韋方程組、傳輸線理論、天線輻射原理等，對小型圓極化天線的工作原理、輻射特性和極化特性進行深入分析。建立天線的理論模型，推導天線的相關(guān)參數(shù)，如諧振頻率、阻抗、輻射方向圖等的計算公式，從理論層面揭示天線帶寬展寬的內(nèi)在機制和影響因素。例如，通過傳輸線理論分析饋電網(wǎng)絡(luò)與天線輻射單元之間的阻抗匹配關(guān)系，為饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計提供理論指導。仿真模擬方法：利用專業(yè)的電磁仿真軟件，如AnsoftHFSS、CSTMicrowaveStudio等，對設(shè)計的小型圓極化天線進行建模和仿真分析。通過設(shè)置不同的仿真參數(shù)，如天線結(jié)構(gòu)參數(shù)、饋電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、材料參數(shù)等，模擬天線在不同條件下的性能表現(xiàn)。根據(jù)仿真結(jié)果，分析天線的性能指標與參數(shù)之間的關(guān)系，對天線結(jié)構(gòu)和饋電網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化設(shè)計，減少實驗次數(shù)，提高研究效率。例如，在HFSS軟件中，通過參數(shù)掃描功能，快速分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線帶寬的影響，找到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。實驗測試方法：根據(jù)仿真優(yōu)化后的結(jié)果，制作小型圓極化天線的實物樣機。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、天線測試暗室等實驗設(shè)備，對樣機的性能進行測試，包括S參數(shù)、軸比、增益、輻射方向圖等。將實驗測試結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比分析，驗證仿真模型的準確性和設(shè)計方案的可行性。針對實驗結(jié)果與仿真結(jié)果之間的差異，分析原因，進一步優(yōu)化天線設(shè)計，確保天線性能滿足預期要求。二、小型圓極化天線的基礎(chǔ)理論2.1圓極化天線的工作原理2.1.1圓極化的概念與特性圓極化是電磁波極化的一種特殊形式。當電磁波在空間中傳播時，其電場矢量的端點在垂直于傳播方向的平面上的軌跡呈現(xiàn)為一個圓形，這種極化方式即為圓極化。從數(shù)學定義上看，假設(shè)沿z軸方向傳播的均勻平面電磁波，其電場強度矢量\vec{E}可分解為在x方向和y方向的兩個分量，即\vec{E}=\vec{E_x}+\vec{E_y}，其中\(zhòng)vec{E_x}=E_{x0}\cos(\omegat-kz)，\vec{E_y}=E_{y0}\cos(\omegat-kz+\varphi)。當E_{x0}=E_{y0}且\varphi=\pm\frac{\pi}{2}時，電場矢量端點在垂直于傳播方向的平面上的投影為一個圓，從而形成圓極化波。若電場矢量順時針旋轉(zhuǎn)，則為右旋圓極化波；若逆時針旋轉(zhuǎn)，則為左旋圓極化波。圓極化在抗多徑干擾方面具有顯著優(yōu)勢。在復雜的通信環(huán)境中，信號會經(jīng)過多次反射和散射，產(chǎn)生多徑效應(yīng)。多徑信號的極化方向往往是隨機變化的，對于線極化天線而言，由于其對極化方向的選擇性較強，當接收信號的極化方向與天線的極化方向不一致時，會導致信號強度大幅衰減，甚至無法接收。而圓極化天線輻射的電場矢量在空間中旋轉(zhuǎn)，無論多徑信號的極化方向如何變化，圓極化天線都能在一定程度上接收信號，從而有效地克服多徑干擾，提高通信的可靠性。例如，在城市高樓林立的區(qū)域，移動設(shè)備的信號會受到周圍建筑物的多次反射，采用圓極化天線的移動設(shè)備能夠比采用線極化天線的設(shè)備更穩(wěn)定地接收信號，減少信號中斷和衰落的情況。在信號接收方面，圓極化也表現(xiàn)出獨特的特性。一個圓極化波可以分解為兩個在空間上和時間上均正交的等幅線極化波，反之，任意極化波也可以分解為兩個旋向相反的圓極化波。這意味著圓極化天線不僅可以接收圓極化波，還能夠接收任意極化的來波，而任意極化的天線也能夠接收圓極化天線輻射的圓極化波。在電子偵察和干擾等應(yīng)用中，常常利用這一特性，采用圓極化波進行信號傳輸和接收，以提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性。此外，圓極化天線還具有旋向正交性，即輻射左旋圓極化波的天線只接收左旋圓極化波，而不接收右旋圓極化波，反之亦然。在通信和雷達的極化分集工作以及電子對抗等領(lǐng)域，這一性質(zhì)被廣泛應(yīng)用，例如通過同時使用左旋和右旋圓極化天線，可以實現(xiàn)信號的分集接收，提高通信的容量和抗干擾能力。2.1.2圓極化天線的實現(xiàn)方式實現(xiàn)圓極化天線的方法多種多樣，常見的有正交饋電、貼片切角等方式，每種方式都有其獨特的原理和特點。正交饋電是一種較為常用的實現(xiàn)圓極化的方法。其基本原理是通過設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)，使得天線的兩個輻射單元分別激勵出在空間上相互正交的線極化電場分量，并且這兩個分量的幅度相等，相位相差90°，從而合成圓極化波。以微帶天線為例，通常采用T形分支或3dB電橋作為饋電網(wǎng)絡(luò)。在T形分支饋電結(jié)構(gòu)中，信號從主饋線輸入后，通過T形分支被分成兩路，分別傳輸?shù)絻蓚€相互正交的輻射貼片上。通過合理設(shè)計T形分支的尺寸和長度，可以調(diào)整兩路信號的相位和幅度，使得兩個輻射貼片產(chǎn)生的電場分量滿足圓極化的條件。3dB電橋則是利用其特殊的電路結(jié)構(gòu)，將輸入信號等分為兩路，并且使這兩路信號之間產(chǎn)生90°的相位差，然后分別饋電給兩個正交的輻射單元，實現(xiàn)圓極化輻射。正交饋電方式的優(yōu)點是能夠有效地提高天線的阻抗帶寬和軸比帶寬，并且可以較好地抑制交叉極化，缺點是饋電網(wǎng)絡(luò)相對復雜，會增加天線的尺寸和成本。貼片切角是另一種實現(xiàn)圓極化的有效方法，常用于微帶貼片天線。對于正方形或圓形的微帶貼片天線，當采用單饋點饋電時，其輻射的電磁波通常是線極化的。通過在貼片的四個角上切除一定大小的三角形或扇形部分，改變貼片的電流分布和電場分布，從而引入兩個正交的簡并模，并且使這兩個模的幅度相等，相位相差90°，實現(xiàn)圓極化輻射。具體來說，切角的大小和形狀會影響兩個簡并模的諧振頻率和相位差，通過精確計算和優(yōu)化切角參數(shù)，可以使天線在所需的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)良好的圓極化特性。貼片切角方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，成本較低，適合小型化天線的設(shè)計；缺點是帶寬相對較窄，軸比性能可能不如正交饋電方式。除了上述兩種常見的方法外，還有其他一些實現(xiàn)圓極化的方式。例如，利用多臂螺旋天線，通過設(shè)計螺旋的匝數(shù)、螺距和直徑等參數(shù)，使天線在工作頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生圓極化輻射；采用環(huán)形天線，通過控制環(huán)形電流的分布和相位，實現(xiàn)圓極化；以及利用有源電路與天線相結(jié)合的方式，通過有源器件對信號進行相位和幅度調(diào)整，來實現(xiàn)圓極化等。不同的實現(xiàn)方式適用于不同的應(yīng)用場景和設(shè)計需求，在實際的天線設(shè)計中，需要根據(jù)具體情況選擇合適的方法，并進行優(yōu)化設(shè)計，以滿足天線的性能要求。二、小型圓極化天線的基礎(chǔ)理論2.2小型圓極化天線的結(jié)構(gòu)與特點2.2.1典型結(jié)構(gòu)形式小型圓極化天線存在多種典型結(jié)構(gòu)形式，每種結(jié)構(gòu)都具備獨特的設(shè)計理念與特性，以契合不同應(yīng)用場景對天線性能的要求。微帶貼片天線是小型圓極化天線中極為常見的一種結(jié)構(gòu)。它主要由金屬貼片、介質(zhì)基板和金屬接地板構(gòu)成。金屬貼片作為輻射單元，負責產(chǎn)生和輻射電磁波；介質(zhì)基板介于金屬貼片和金屬接地板之間，起到支撐和隔離的作用，其介電常數(shù)和厚度會對天線的性能產(chǎn)生顯著影響；金屬接地板則用于反射電磁波，增強天線的輻射方向性。為實現(xiàn)圓極化，微帶貼片天線常采用特殊的設(shè)計方法，如貼片切角、正交饋電等。貼片切角方式是通過在貼片的四個角切除一定形狀的部分，改變貼片的電流分布，從而產(chǎn)生兩個正交的簡并模，實現(xiàn)圓極化輻射。正交饋電則是利用饋電網(wǎng)絡(luò)，使天線的兩個輻射單元分別激勵出相互正交的線極化電場分量，且幅度相等、相位相差90°，進而合成圓極化波。微帶貼片天線具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、易于加工和集成等優(yōu)點，在移動通信、衛(wèi)星通信、無線局域網(wǎng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。例如，在智能手機中，微帶貼片天線被大量用于實現(xiàn)Wi-Fi、藍牙等無線通信功能，其小型化的結(jié)構(gòu)能夠很好地適應(yīng)手機內(nèi)部有限的空間。螺旋天線也是一種重要的小型圓極化天線結(jié)構(gòu)。它通常由金屬導線繞制而成，呈螺旋狀。螺旋天線的工作原理基于電磁波在螺旋結(jié)構(gòu)中的傳播特性，通過控制螺旋的匝數(shù)、螺距、直徑等參數(shù)，可以實現(xiàn)圓極化輻射。根據(jù)螺旋的形狀和參數(shù)不同，螺旋天線可分為阿基米德螺旋天線、等角螺旋天線、對數(shù)周期螺旋天線等多種類型。阿基米德螺旋天線的螺旋線是按照阿基米德螺旋規(guī)律繞制的，具有寬頻帶、圓極化特性好等優(yōu)點；等角螺旋天線的螺旋線與矢徑的夾角保持不變，在寬頻帶內(nèi)具有穩(wěn)定的輻射特性；對數(shù)周期螺旋天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)按照對數(shù)周期規(guī)律變化，能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)保持良好的性能。螺旋天線在衛(wèi)星通信、雷達探測、電子對抗等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在衛(wèi)星通信中，螺旋天線可以作為接收天線，用于接收衛(wèi)星發(fā)射的圓極化信號，其寬頻帶和圓極化特性能夠有效地提高通信的可靠性和穩(wěn)定性。除了微帶貼片天線和螺旋天線，還有其他一些小型圓極化天線結(jié)構(gòu)，如環(huán)形天線、縫隙天線等。環(huán)形天線由金屬導線圍成環(huán)形，通過控制環(huán)形電流的分布和相位來實現(xiàn)圓極化?？p隙天線則是在金屬平板上開有縫隙，利用縫隙中的電場分布產(chǎn)生圓極化輻射。這些天線結(jié)構(gòu)在不同的應(yīng)用場景中也發(fā)揮著重要作用，它們各自的特點和優(yōu)勢為小型圓極化天線的設(shè)計和應(yīng)用提供了更多的選擇。2.2.2小型化帶來的挑戰(zhàn)小型化雖然是現(xiàn)代天線發(fā)展的重要趨勢，但也給圓極化天線的性能帶來了一系列挑戰(zhàn)，對天線的帶寬、增益等關(guān)鍵性能指標產(chǎn)生了顯著影響，在實現(xiàn)小型化的過程中面臨著諸多技術(shù)難題。小型化對天線帶寬的影響較為突出。天線的帶寬與其尺寸密切相關(guān)，一般來說，天線尺寸減小會導致其諧振頻率升高，帶寬變窄。這是因為小型化天線的有效電長度縮短，使得天線的儲能能力下降，從而限制了其能夠工作的頻率范圍。對于小型圓極化天線而言，較窄的帶寬限制了其在多頻段通信和寬帶信號傳輸?shù)确矫娴膽?yīng)用。在5G通信中，需要天線能夠覆蓋多個頻段，以滿足不同業(yè)務(wù)的需求，而傳統(tǒng)的小型圓極化天線由于帶寬較窄，難以滿足這一要求。此外，帶寬變窄還會導致天線對信號的選擇性增強，對信號的頻率漂移和干擾更加敏感，降低了通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。增益也是小型化過程中受到影響的重要性能指標之一。天線的增益反映了其將輸入功率集中輻射到特定方向的能力，與天線的尺寸和輻射效率密切相關(guān)。小型化天線由于尺寸減小，其輻射面積相應(yīng)減小，導致輻射效率降低，從而使增益下降。較低的增益會影響天線的信號傳輸距離和接收靈敏度，在遠距離通信和弱信號接收場景中，可能會導致信號強度不足，無法滿足通信需求。在衛(wèi)星通信中，由于衛(wèi)星與地面站之間的距離遙遠，信號在傳輸過程中會有較大的衰減，需要天線具有較高的增益來保證信號的可靠接收，而小型化圓極化天線的增益下降問題成為了制約其在衛(wèi)星通信中應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。小型化過程中還面臨著許多技術(shù)難題。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，需要在有限的空間內(nèi)合理布局天線的各個部分，以實現(xiàn)良好的電磁性能。這對天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工工藝提出了更高的要求，需要采用高精度的加工技術(shù)和新型的材料，以確保天線的尺寸精度和性能穩(wěn)定性。在饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方面，小型化天線需要更加緊湊和高效的饋電網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)良好的阻抗匹配和信號傳輸。然而，傳統(tǒng)的饋電網(wǎng)絡(luò)在小型化過程中往往會遇到尺寸過大、損耗增加等問題，需要研發(fā)新型的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法，以滿足小型化天線的需求。小型化還可能導致天線的散熱問題加劇，由于天線尺寸減小，其散熱面積也相應(yīng)減小，在高功率工作狀態(tài)下，可能會出現(xiàn)溫度過高的情況，影響天線的性能和壽命。小型化給圓極化天線帶來了諸多挑戰(zhàn)，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計、饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、材料選擇等方面進行深入研究和創(chuàng)新，以克服這些挑戰(zhàn)，實現(xiàn)小型圓極化天線性能的提升和應(yīng)用的拓展。三、影響小型圓極化天線帶寬的因素分析3.1天線結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響3.1.1貼片尺寸與形狀貼片作為小型圓極化天線的關(guān)鍵輻射部件，其尺寸和形狀的變化會對天線帶寬產(chǎn)生顯著影響，深入探究其中的規(guī)律對于天線的優(yōu)化設(shè)計至關(guān)重要。在貼片尺寸方面，以微帶貼片天線為例，貼片的長度和寬度直接關(guān)聯(lián)到天線的諧振頻率。當貼片尺寸減小時，根據(jù)天線諧振頻率的計算公式f=\frac{c}{2\pi\sqrt{\mu_r\epsilon_r}l}（其中c為光速，\mu_r為相對磁導率，\epsilon_r為相對介電常數(shù)，l為貼片的有效電長度），天線的有效電長度縮短，導致諧振頻率升高。同時，由于小型化使得天線的儲能能力下降，帶寬會相應(yīng)變窄。若將某微帶貼片天線的貼片邊長從初始的20毫米減小到15毫米，通過電磁仿真軟件AnsoftHFSS進行仿真分析，結(jié)果顯示天線的中心諧振頻率從原來的2.4GHz升高到了3.0GHz，而阻抗帶寬（駐波比小于2的帶寬）則從200MHz縮小到了120MHz，這清晰地表明了貼片尺寸減小對帶寬的負面影響。反之，適當增大貼片尺寸，可增加天線的有效電長度，降低諧振頻率，在一定程度上展寬天線帶寬。貼片形狀對天線帶寬的影響也不容忽視。不同的貼片形狀會導致電流在貼片上的分布不同，進而影響天線的輻射特性和帶寬。常見的貼片形狀有矩形、圓形、三角形等，每種形狀都有其獨特的電流分布模式。矩形貼片天線的電流分布相對較為規(guī)則，在貼片的邊緣處電流密度較大；圓形貼片天線的電流分布則呈環(huán)形對稱分布。除了這些常規(guī)形狀，一些特殊形狀的貼片，如分形貼片、開槽貼片等，能夠通過改變電流分布來拓展天線帶寬。分形貼片利用分形結(jié)構(gòu)的自相似性和空間填充性，在有限的空間內(nèi)增加了天線的有效電長度，從而實現(xiàn)小型化和寬帶化。采用二階Sierpinski分形貼片的微帶天線，與相同尺寸的普通矩形貼片天線相比，其阻抗帶寬從15\%提升到了30\%，軸比帶寬也有了明顯改善。開槽貼片則通過在貼片上開設(shè)特定形狀和位置的槽，引入額外的諧振點，增加了天線的帶寬。在圓形貼片上對稱地開設(shè)四個矩形槽，可使天線的帶寬得到有效展寬，同時保持較好的圓極化特性。在實際的天線設(shè)計中，可依據(jù)具體的應(yīng)用需求，綜合考慮貼片尺寸和形狀的因素進行優(yōu)化設(shè)計。若需要天線工作在較低頻率且?guī)捿^寬的情況下，可以適當增大貼片尺寸，并選擇具有寬帶特性的貼片形狀，如分形貼片；若對天線的尺寸要求較為嚴格，在減小貼片尺寸的同時，可通過設(shè)計特殊形狀的貼片，如開槽貼片，來彌補帶寬的損失，確保天線在滿足小型化要求的同時，具備良好的帶寬性能。3.1.2介質(zhì)基板特性介質(zhì)基板作為小型圓極化天線的重要組成部分，其介電常數(shù)、厚度等參數(shù)對天線帶寬有著重要的作用機制，深入研究這些參數(shù)的影響對于優(yōu)化天線性能具有關(guān)鍵意義。介電常數(shù)是介質(zhì)基板的一個關(guān)鍵參數(shù)，它對天線的帶寬有著顯著影響。當介質(zhì)基板的介電常數(shù)增大時，根據(jù)公式l=\frac{c}{2f\sqrt{\epsilon_r}}（其中l(wèi)為天線的有效電長度，c為光速，f為工作頻率，\epsilon_r為介電常數(shù)），在相同的工作頻率下，天線的有效電長度會縮短，從而導致天線尺寸減小。然而，這種尺寸的減小往往會帶來帶寬變窄的問題。這是因為介電常數(shù)的增大使得電場在介質(zhì)基板中的束縛增強，能量損耗增加，進而限制了天線的帶寬。以某微帶貼片天線為例，當介質(zhì)基板的介電常數(shù)從2.2增大到4.4時，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，天線的尺寸減小了約30\%，但阻抗帶寬卻從180MHz減小到了80MHz。相反，選擇介電常數(shù)較小的介質(zhì)基板，雖然會使天線尺寸相對增大，但有利于展寬天線帶寬。在一些對帶寬要求較高且對尺寸限制相對寬松的應(yīng)用場景中，可選用介電常數(shù)較低的介質(zhì)基板，如聚四氟乙烯（介電常數(shù)約為2.1），以獲得更寬的帶寬。介質(zhì)基板的厚度也是影響天線帶寬的重要因素。一般來說，增加介質(zhì)基板的厚度可以提高天線的帶寬。這是因為隨著基板厚度的增加，天線的輻射效率提高，表面波損耗減小，從而有利于展寬帶寬。然而，基板厚度的增加也會帶來一些負面影響，如天線的體積增大、交叉極化增加等。在實際應(yīng)用中，需要在帶寬和其他性能指標之間進行權(quán)衡。通過理論分析和仿真計算可知，當天線的介質(zhì)基板厚度與波長的比值在一定范圍內(nèi)增加時，天線的帶寬會逐漸展寬。當介質(zhì)基板厚度從1毫米增加到3毫米時，天線的帶寬從100MHz展寬到了200MHz，但同時交叉極化電平也有所升高。為了在展寬帶寬的同時控制交叉極化的增加，可以采用一些特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如在介質(zhì)基板中引入空氣層，形成多層結(jié)構(gòu)，這樣既能增加基板的等效厚度，展寬帶寬，又能在一定程度上抑制交叉極化的升高。介質(zhì)基板的介電常數(shù)和厚度對小型圓極化天線的帶寬有著復雜的影響，在天線設(shè)計過程中，需要綜合考慮這些因素，根據(jù)具體的應(yīng)用需求，選擇合適的介質(zhì)基板參數(shù)，并結(jié)合合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以實現(xiàn)天線帶寬的優(yōu)化和整體性能的提升。3.2饋電方式的影響3.2.1常見饋電方式介紹在小型圓極化天線的設(shè)計中，饋電方式的選擇對天線性能起著至關(guān)重要的作用。常見的饋電方式包括同軸饋電、微帶線饋電和耦合饋電，它們各自具有獨特的工作原理和優(yōu)缺點，適用于不同的應(yīng)用場景。同軸饋電是一種較為常用的饋電方式，它通過同軸電纜將射頻信號傳輸?shù)教炀€的輻射部分。同軸電纜由內(nèi)導體、絕緣介質(zhì)和外導體組成，內(nèi)導體用于傳輸信號，外導體則起到屏蔽和接地的作用。在小型圓極化天線中，同軸饋電的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，能夠提供良好的阻抗匹配和輻射效率。它還具有較低的傳輸損耗和較高的功率容量，適合在一些對信號傳輸質(zhì)量要求較高的場合使用。在衛(wèi)星通信地面站的小型圓極化天線中，同軸饋電能夠有效地將射頻信號傳輸?shù)教炀€，保證信號的穩(wěn)定接收和發(fā)射。然而，同軸饋電也存在一些缺點，例如天線的尺寸相對較大，不利于進一步小型化；同軸電纜的柔韌性較差，在一些需要靈活布線的應(yīng)用中可能會受到限制。微帶線饋電是利用微帶線將射頻信號傳輸?shù)教炀€輻射貼片的一種饋電方式。微帶線通常由介質(zhì)基板、金屬貼片和金屬接地板組成，金屬貼片作為傳輸線，與接地板之間通過介質(zhì)基板隔開。微帶線饋電具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成的優(yōu)點，能夠與天線的輻射貼片制作在同一介質(zhì)基板上，大大減小了天線的體積和重量。它還具有較好的靈活性，可以通過調(diào)整微帶線的長度、寬度和形狀來實現(xiàn)不同的阻抗匹配和相位調(diào)整。在智能手機等移動終端的小型圓極化天線中，微帶線饋電被廣泛應(yīng)用，能夠滿足設(shè)備對小型化和集成化的需求。但是，微帶線饋電也存在一定的局限性，如微帶線的損耗相對較大，會影響天線的輻射效率；在高頻段，微帶線的輻射和色散效應(yīng)會變得較為明顯，對天線性能產(chǎn)生不利影響。耦合饋電是通過電磁耦合的方式將信號從饋線傳輸?shù)教炀€輻射單元的一種饋電方式。常見的耦合饋電方式包括近場耦合和開槽耦合。近場耦合是利用饋線與天線輻射單元之間的近場電磁耦合來傳輸信號，這種方式可以在不直接連接的情況下實現(xiàn)信號傳輸，具有較好的隔離性能。開槽耦合則是在天線的接地板上開一個或多個槽，通過槽與饋線之間的電磁耦合將信號引入天線輻射單元。耦合饋電的優(yōu)點是可以避免饋線對天線輻射特性的直接影響，提高天線的輻射效率和方向性。它還能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶阻抗匹配，適用于一些對帶寬要求較高的應(yīng)用場景。在一些寬帶小型圓極化天線的設(shè)計中，耦合饋電被用來展寬天線的帶寬，提高天線的整體性能。然而，耦合饋電的缺點是設(shè)計和調(diào)試相對復雜，需要精確控制耦合的強度和相位，以確保天線的性能。不同的饋電方式在小型圓極化天線中各有優(yōu)劣，在實際設(shè)計中，需要根據(jù)天線的具體應(yīng)用需求、性能指標以及成本等因素，綜合考慮選擇合適的饋電方式，并進行優(yōu)化設(shè)計，以實現(xiàn)天線性能的最大化。3.2.2饋電方式對帶寬的影響機制饋電方式作為影響小型圓極化天線性能的關(guān)鍵因素之一，通過對天線阻抗匹配和輻射特性的作用，深刻地影響著天線的帶寬。不同的饋電方式會導致天線輸入阻抗的變化，進而影響天線與饋線之間的匹配程度，最終對帶寬產(chǎn)生顯著影響。從阻抗匹配的角度來看，同軸饋電在某些情況下能夠?qū)崿F(xiàn)較好的阻抗匹配。由于同軸電纜的特性阻抗相對固定，一般為50Ω或75Ω，當天線的輸入阻抗能夠與同軸電纜的特性阻抗相匹配時，信號在傳輸過程中的反射較小，能量能夠有效地傳輸?shù)教炀€輻射部分。在一些設(shè)計較為簡單的小型圓極化天線中，通過合理選擇同軸饋電點的位置和調(diào)整天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以使天線的輸入阻抗接近同軸電纜的特性阻抗，從而在一定頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)良好的阻抗匹配，展寬天線的帶寬。然而，如果天線的結(jié)構(gòu)復雜或者工作頻率范圍較寬，要實現(xiàn)全頻段的良好阻抗匹配則較為困難，可能會導致部分頻段的信號反射較大，帶寬變窄。微帶線饋電對天線阻抗匹配的影響較為復雜。微帶線的特性阻抗與介質(zhì)基板的介電常數(shù)、厚度以及微帶線的寬度等因素密切相關(guān)。通過調(diào)整微帶線的這些參數(shù)，可以改變微帶線的特性阻抗，從而實現(xiàn)與天線輻射單元的阻抗匹配。在設(shè)計寬帶微帶線饋電的小型圓極化天線時，可以采用漸變寬度的微帶線，使微帶線的特性阻抗在一定頻率范圍內(nèi)逐漸變化，以適應(yīng)天線在不同頻率下的輸入阻抗變化，從而展寬天線的帶寬。此外，微帶線與天線輻射貼片之間的耦合程度也會影響阻抗匹配。如果耦合過強或過弱，都會導致阻抗失配，降低天線的帶寬。因此，在微帶線饋電的天線設(shè)計中，需要精確控制微帶線的參數(shù)和耦合程度，以實現(xiàn)良好的阻抗匹配和較寬的帶寬。耦合饋電通過電磁耦合的方式實現(xiàn)信號傳輸，對天線的阻抗匹配有著獨特的影響機制。在近場耦合饋電中，饋線與天線輻射單元之間的距離和相對位置會影響耦合強度和相位，進而影響天線的輸入阻抗。通過調(diào)整這些參數(shù)，可以改變天線的輸入阻抗，實現(xiàn)與饋線的阻抗匹配。在開槽耦合饋電中，接地板上開槽的形狀、尺寸和位置會影響槽與饋線之間的電磁耦合，從而改變天線的輸入阻抗。合理設(shè)計開槽的參數(shù)，可以使天線在較寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)良好的阻抗匹配，展寬天線的帶寬。例如，在一些寬帶小型圓極化天線中，通過優(yōu)化開槽的形狀和尺寸，實現(xiàn)了天線在多個頻段的良好阻抗匹配，帶寬得到了顯著提升。饋電方式還會對天線的輻射特性產(chǎn)生影響，進而影響帶寬。不同的饋電方式會導致天線表面電流分布和電場分布的差異，從而影響天線的輻射方向圖和輻射效率。如果饋電方式能夠使天線表面的電流分布更加均勻，電場分布更加合理，那么天線的輻射效率會提高，帶寬也可能會相應(yīng)展寬。在正交饋電的小型圓極化天線中，通過合理設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)，使兩個正交的輻射單元的電流分布和電場分布相互配合，能夠有效地提高天線的輻射效率和圓極化性能，同時展寬天線的帶寬。相反，如果饋電方式導致天線表面的電流分布和電場分布不均勻，會產(chǎn)生較大的能量損耗和輻射損耗，降低天線的輻射效率，使帶寬變窄。饋電方式通過影響天線的阻抗匹配和輻射特性，對小型圓極化天線的帶寬產(chǎn)生重要影響。在天線設(shè)計過程中，需要深入研究不同饋電方式的影響機制，通過優(yōu)化饋電方式和天線結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)良好的阻抗匹配和合理的輻射特性，從而有效地展寬天線的帶寬。四、小型圓極化天線帶寬展寬的方法研究4.1基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的帶寬展寬方法4.1.1多層貼片結(jié)構(gòu)多層貼片結(jié)構(gòu)作為一種有效的帶寬展寬技術(shù)，在小型圓極化天線設(shè)計中具有獨特的原理和顯著的優(yōu)勢。其設(shè)計原理基于多個貼片之間的電磁耦合與諧振特性。在多層貼片結(jié)構(gòu)中，通常包含主輻射貼片以及一層或多層寄生貼片。主輻射貼片負責主要的電磁波輻射，而寄生貼片則通過與主輻射貼片之間的電磁耦合作用，引入額外的諧振模式，從而拓展天線的帶寬。當射頻信號饋入天線時，主輻射貼片首先被激勵產(chǎn)生諧振，輻射出電磁波。寄生貼片與主輻射貼片之間存在電磁耦合，這種耦合作用使得寄生貼片也被激勵，產(chǎn)生自己的諧振模式。由于寄生貼片與主輻射貼片的尺寸、位置和間距等參數(shù)不同，它們的諧振頻率也會有所差異。這些不同諧振頻率的模式相互疊加，使得天線能夠在更寬的頻率范圍內(nèi)工作，從而增加了天線的帶寬。例如，對于一個工作在2.4GHz的小型圓極化微帶天線，采用雙層貼片結(jié)構(gòu)，上層為寄生貼片，下層為主輻射貼片。通過合理設(shè)計兩層貼片的尺寸和間距，使得寄生貼片在2.3GHz和2.5GHz附近產(chǎn)生額外的諧振，與主輻射貼片在2.4GHz的諧振相互配合，最終使天線的帶寬得到顯著展寬。為了更直觀地展示多層貼片結(jié)構(gòu)對天線帶寬的影響，以某具體設(shè)計實例進行分析。該天線采用三層貼片結(jié)構(gòu)，最下層為主輻射貼片，中間層和最上層為寄生貼片。通過電磁仿真軟件HFSS對該天線進行建模和仿真分析，在保持其他參數(shù)不變的情況下，對比單層貼片結(jié)構(gòu)和三層貼片結(jié)構(gòu)的天線帶寬性能。仿真結(jié)果表明，單層貼片結(jié)構(gòu)的天線在駐波比小于2的條件下，帶寬僅為100MHz；而采用三層貼片結(jié)構(gòu)后，天線帶寬擴展到了300MHz，帶寬提升了200%。在軸比性能方面，單層貼片結(jié)構(gòu)的天線軸比帶寬（軸比小于3dB的帶寬）較窄，僅能覆蓋中心頻率附近50MHz的范圍；三層貼片結(jié)構(gòu)的天線軸比帶寬則達到了150MHz，在更寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了良好的圓極化特性。多層貼片結(jié)構(gòu)通過引入額外的諧振模式和優(yōu)化電磁耦合，有效地增加了小型圓極化天線的帶寬，并且在一定程度上改善了天線的圓極化性能。然而，多層貼片結(jié)構(gòu)也會使天線的結(jié)構(gòu)變得復雜，增加了制作成本和工藝難度。在實際應(yīng)用中，需要綜合考慮天線的性能需求、成本和制作工藝等因素，合理選擇多層貼片結(jié)構(gòu)的層數(shù)和參數(shù)，以實現(xiàn)最佳的性能平衡。4.1.2縫隙耦合技術(shù)縫隙耦合技術(shù)是一種在小型圓極化天線設(shè)計中用于展寬帶寬的重要方法，其工作原理基于電磁耦合和多模諧振的理論。在采用縫隙耦合技術(shù)的天線中，通常在天線的接地板或輻射貼片上開設(shè)有特定形狀和尺寸的縫隙，通過這些縫隙實現(xiàn)饋線與輻射單元之間的電磁耦合。當射頻信號通過饋線傳輸時，縫隙處會產(chǎn)生強烈的電磁感應(yīng)，使得能量能夠有效地從饋線耦合到輻射單元，激勵輻射單元產(chǎn)生輻射?？p隙耦合技術(shù)能夠展寬天線帶寬的主要原因在于其能夠激發(fā)多模諧振。不同形狀和尺寸的縫隙會在不同頻率下產(chǎn)生諧振，這些諧振模式相互疊加，使得天線能夠在多個頻率點上工作，從而拓展了天線的帶寬。矩形縫隙在某一頻率下會產(chǎn)生特定的諧振模式，而圓形縫隙則在另一個頻率下產(chǎn)生不同的諧振模式。通過合理設(shè)計縫隙的形狀、尺寸和位置，可以使這些諧振模式相互配合，實現(xiàn)寬帶特性?？p隙耦合還可以改善天線的阻抗匹配。通過調(diào)整縫隙的參數(shù)，可以改變天線的輸入阻抗，使其在更寬的頻率范圍內(nèi)與饋線的特性阻抗相匹配，減少信號反射，提高能量傳輸效率，進一步展寬天線的帶寬。以一款工作在5GHz頻段的小型圓極化微帶天線為例，該天線采用了縫隙耦合技術(shù)。在天線的接地板上開設(shè)有一對正交的H形縫隙，通過微帶線饋電，能量通過H形縫隙耦合到方形輻射貼片上。通過仿真分析和實驗測試，該天線在駐波比小于2的條件下，帶寬達到了800MHz，相比未采用縫隙耦合技術(shù)的同類天線，帶寬提升了約50%。在軸比性能方面，該天線在整個帶寬范圍內(nèi)軸比均小于3dB，實現(xiàn)了良好的圓極化特性。這一實例充分展示了縫隙耦合技術(shù)在展寬小型圓極化天線帶寬方面的顯著優(yōu)勢?？p隙耦合技術(shù)在小型圓極化天線帶寬展寬方面具有重要的應(yīng)用價值。它通過激發(fā)多模諧振和改善阻抗匹配，有效地拓展了天線的帶寬，同時能夠保持良好的圓極化性能。該技術(shù)還具有饋電網(wǎng)絡(luò)簡單、易于與其他結(jié)構(gòu)相結(jié)合等優(yōu)點，為小型圓極化天線的設(shè)計提供了更多的靈活性和可能性。4.1.3電磁帶隙結(jié)構(gòu)的應(yīng)用電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)作為一種具有特殊電磁特性的人工結(jié)構(gòu)，在小型圓極化天線的設(shè)計中展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢，對天線的帶寬和性能優(yōu)化發(fā)揮著重要作用。電磁帶隙結(jié)構(gòu)是由周期性排列的單元組成，這些單元可以是金屬結(jié)構(gòu)、介質(zhì)結(jié)構(gòu)或金屬與介質(zhì)的組合結(jié)構(gòu)。其特性源于電磁波在周期性結(jié)構(gòu)中傳播時產(chǎn)生的布拉格散射效應(yīng)，使得在特定頻率范圍內(nèi)，電磁波無法在結(jié)構(gòu)中傳播，形成電磁帶隙。在小型圓極化天線中應(yīng)用電磁帶隙結(jié)構(gòu)，可以有效地改善天線的性能。EBG結(jié)構(gòu)能夠抑制天線表面波的傳播。在傳統(tǒng)的微帶天線中，表面波會在介質(zhì)基板中傳播，導致能量損耗和輻射效率降低。而EBG結(jié)構(gòu)的存在可以阻止表面波的傳播，使能量更多地集中在天線的輻射方向上，從而提高天線的輻射效率，間接展寬天線的帶寬。EBG結(jié)構(gòu)還可以改變天線的阻抗特性。通過調(diào)整EBG結(jié)構(gòu)的單元尺寸、周期和排列方式，可以改變天線周圍的電磁環(huán)境，進而改變天線的輸入阻抗，實現(xiàn)更好的阻抗匹配，展寬天線的工作帶寬。以一款基于電磁帶隙結(jié)構(gòu)的小型圓極化微帶天線為例，該天線在介質(zhì)基板上周期性地蝕刻了正方形的金屬貼片，形成EBG結(jié)構(gòu)。通過電磁仿真軟件對該天線進行分析，結(jié)果顯示，在引入EBG結(jié)構(gòu)后，天線的表面波損耗明顯降低，輻射效率提高了約15%。在帶寬方面，天線的阻抗帶寬（駐波比小于2）從原來的120MHz擴展到了200MHz，提升了約67%。在軸比性能上，EBG結(jié)構(gòu)對天線的圓極化特性也有一定的改善作用，使軸比在更寬的頻率范圍內(nèi)保持在3dB以下。電磁帶隙結(jié)構(gòu)在小型圓極化天線中的應(yīng)用，通過抑制表面波傳播和優(yōu)化阻抗匹配，有效地提高了天線的輻射效率，展寬了天線的帶寬，同時改善了天線的圓極化性能。隨著對電磁帶隙結(jié)構(gòu)研究的不斷深入和技術(shù)的不斷發(fā)展，其在小型圓極化天線以及其他天線設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊，有望為無線通信等領(lǐng)域帶來更優(yōu)異的天線性能解決方案。4.2基于饋電網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的帶寬展寬方法4.2.1多饋點饋電多饋點饋電是一種能夠有效改善小型圓極化天線圓極化性能和帶寬的重要技術(shù)手段，其原理基于多個饋電點對天線輻射貼片的協(xié)同激勵作用。在多饋點饋電系統(tǒng)中，通過設(shè)計合理的饋電網(wǎng)絡(luò)，將射頻信號分配到多個饋電點，使這些饋電點同時對天線輻射貼片進行饋電。每個饋電點所饋入的信號在幅度和相位上存在特定的關(guān)系，通過精確控制這些關(guān)系，可以實現(xiàn)對天線輻射特性的精細調(diào)控。在雙饋點饋電的小型圓極化天線中，兩個饋電點通常被設(shè)計為相互正交，且饋入的信號幅度相等，相位相差90°。根據(jù)電磁波的疊加原理，這兩個正交且具有特定相位差的信號在天線輻射貼片上激勵出的電場分量相互合成，能夠形成圓極化波。當一個饋電點激勵出的電場分量在x方向時，另一個饋電點激勵出的電場分量在y方向，且由于相位差為90°，使得電場矢量的端點在空間中旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)圓極化輻射。這種方式相比單饋點饋電，能夠更有效地產(chǎn)生圓極化波，提高圓極化的純度，即降低軸比，使天線在更寬的頻率范圍內(nèi)保持良好的圓極化特性。多饋點饋電對天線帶寬的改善作用也十分顯著。多個饋電點的引入，相當于增加了天線的激勵模式，使得天線能夠在多個頻率點上產(chǎn)生諧振。這些不同諧振頻率的模式相互疊加，拓寬了天線的工作帶寬。以四饋點饋電的微帶貼片天線為例，四個饋電點均勻分布在貼片的邊緣，通過合理設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)，使每個饋電點的信號幅度和相位滿足特定條件。仿真和實驗結(jié)果表明，與單饋點饋電的天線相比，四饋點饋電的天線阻抗帶寬（駐波比小于2的帶寬）提升了約80%，軸比帶寬（軸比小于3dB的帶寬）也有明顯增加。這是因為多個饋電點能夠激發(fā)更多的電流分布模式，這些模式在不同頻率下相互作用，使得天線能夠在更寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)良好的阻抗匹配和圓極化輻射。多饋點饋電通過精確控制饋電信號的幅度和相位，實現(xiàn)了對天線圓極化性能的優(yōu)化，同時增加了天線的激勵模式，有效地展寬了天線的帶寬。然而，多饋點饋電也會帶來一些問題，如饋電網(wǎng)絡(luò)的復雜性增加，導致成本上升和制作難度加大。在實際應(yīng)用中，需要綜合考慮天線的性能需求、成本和制作工藝等因素，合理選擇多饋點饋電的方式和饋電點的數(shù)量，以實現(xiàn)最佳的性能平衡。4.2.2新型饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計新型饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計是實現(xiàn)小型圓極化天線帶寬展寬的關(guān)鍵技術(shù)之一，其中多級RC-CR級聯(lián)電路作為一種創(chuàng)新的設(shè)計思路，展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢和良好的帶寬展寬效果。多級RC-CR級聯(lián)電路饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計靈感來源于對信號相位和幅度的精確控制需求。在傳統(tǒng)的饋電網(wǎng)絡(luò)中，信號的傳輸和分配往往難以在寬頻帶范圍內(nèi)保持良好的性能，而RC-CR級聯(lián)電路通過巧妙的電阻（R）和電容（C）組合，能夠?qū)π盘栠M行有效的相位調(diào)整和阻抗匹配。該電路的基本工作原理基于RC電路的相位特性。在RC電路中，當交流信號通過時，由于電容的容抗與頻率相關(guān)，會導致信號的相位發(fā)生變化。通過合理設(shè)計RC-CR級聯(lián)電路中各級的電阻和電容值，可以實現(xiàn)對信號相位的精確控制，使其滿足小型圓極化天線在不同頻率下的圓極化和阻抗匹配要求。對于一個工作在特定頻段的小型圓極化天線，通過設(shè)計多級RC-CR級聯(lián)電路，使輸入信號在經(jīng)過各級電路后，輸出四個等幅、相位依次相差90度的饋電信號。這四個信號分別饋入天線的輻射貼片，從而實現(xiàn)圓極化輻射。由于各級電路對信號的相位調(diào)整是基于頻率的，因此在一定的頻率范圍內(nèi)，都能夠保持良好的相位差，進而展寬了天線的軸比帶寬和阻抗帶寬。為了驗證多級RC-CR級聯(lián)電路饋電網(wǎng)絡(luò)的帶寬展寬效果，進行了仿真和實驗研究。以一款中心頻率為5GHz的小型圓極化微帶天線為例，采用多級RC-CR級聯(lián)電路作為饋電網(wǎng)絡(luò)。通過電磁仿真軟件對天線進行建模分析，在未采用該新型饋電網(wǎng)絡(luò)時，天線的阻抗帶寬（駐波比小于2）僅為200MHz，軸比帶寬（軸比小于3dB）為100MHz。而在采用多級RC-CR級聯(lián)電路饋電網(wǎng)絡(luò)后，仿真結(jié)果顯示，天線的阻抗帶寬擴展到了500MHz，提升了150%；軸比帶寬達到了250MHz，提升了150%。在實驗測試中，制作了基于該設(shè)計的天線樣機，測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，進一步驗證了多級RC-CR級聯(lián)電路在展寬小型圓極化天線帶寬方面的有效性。除了多級RC-CR級聯(lián)電路，還有其他一些新型饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計思路也在不斷涌現(xiàn)。多層結(jié)構(gòu)饋電網(wǎng)絡(luò)，通過在不同層設(shè)置不同的饋電線路和匹配元件，實現(xiàn)對信號的分層處理和多頻段匹配，從而展寬天線帶寬；漸變阻抗饋電網(wǎng)絡(luò)，利用漸變的傳輸線阻抗，使信號在傳輸過程中逐漸實現(xiàn)阻抗匹配，減少信號反射，提高帶寬性能。這些新型饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為小型圓極化天線帶寬展寬提供了更多的選擇和可能性，推動了天線技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新。五、小型圓極化天線帶寬展寬的實例分析5.1具體天線設(shè)計案例5.1.1設(shè)計目標與要求本次設(shè)計旨在研發(fā)一款應(yīng)用于無線局域網(wǎng)（WLAN）的小型圓極化天線，以滿足當前無線通信設(shè)備對小型化、高性能天線的需求。在WLAN環(huán)境中，設(shè)備需要能夠穩(wěn)定、高效地接收和發(fā)射信號，因此對天線的性能提出了嚴格要求。從帶寬方面來看，為了覆蓋WLAN常用的2.4GHz和5.8GHz兩個頻段，要求天線在這兩個頻段內(nèi)均能實現(xiàn)良好的工作性能，阻抗帶寬（駐波比小于2）需分別達到200MHz以上，以確保在不同的WLAN標準下都能穩(wěn)定傳輸信號。在圓極化性能上，軸比帶寬（軸比小于3dB）在2.4GHz頻段要達到100MHz以上，在5.8GHz頻段達到150MHz以上，保證天線在接收和發(fā)射信號時具有良好的極化純度，減少信號的失真和干擾。增益是衡量天線將輸入功率集中輻射到特定方向能力的重要指標。對于該小型圓極化天線，要求在2.4GHz頻段的增益不低于3dBi，在5.8GHz頻段的增益不低于5dBi，以滿足WLAN設(shè)備在一定距離內(nèi)的信號傳輸需求，確保信號的強度和穩(wěn)定性。輻射效率也是關(guān)鍵性能指標之一，希望天線在兩個頻段的輻射效率均能達到70%以上，減少能量損耗，提高信號傳輸?shù)男?。小型化是本次設(shè)計的核心要求之一?？紤]到WLAN設(shè)備內(nèi)部空間有限，如無線路由器、無線網(wǎng)卡等設(shè)備，需要天線能夠在狹小的空間內(nèi)安裝并正常工作。因此，天線的整體尺寸需控制在邊長小于50mm的范圍內(nèi)，高度小于10mm，以實現(xiàn)小型化設(shè)計，便于與其他電子元件集成在一起，滿足設(shè)備的緊湊化需求。5.1.2設(shè)計過程與方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，為了實現(xiàn)小型化和寬帶化的目標，采用了多層貼片結(jié)構(gòu)和縫隙耦合技術(shù)相結(jié)合的方案。多層貼片結(jié)構(gòu)由三層貼片組成，最上層為寄生貼片，中間層為主輻射貼片，最下層為接地板。寄生貼片通過與主輻射貼片之間的電磁耦合作用，引入額外的諧振模式，拓展天線的帶寬?？p隙耦合技術(shù)則通過在接地板上開設(shè)特定形狀和尺寸的縫隙，實現(xiàn)饋線與輻射單元之間的高效電磁耦合，進一步展寬天線帶寬。在接地板上開設(shè)一對正交的H形縫隙，通過微帶線饋電，能量通過H形縫隙耦合到主輻射貼片上。在參數(shù)優(yōu)化方面，利用電磁仿真軟件AnsoftHFSS對天線的各項參數(shù)進行了細致的分析和優(yōu)化。對貼片的尺寸進行了參數(shù)掃描，研究不同長度和寬度的貼片對天線諧振頻率和帶寬的影響。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，當主輻射貼片的長度為25mm，寬度為22mm時，天線在2.4GHz和5.8GHz頻段的諧振特性較好，阻抗匹配也較為理想。對縫隙的尺寸和位置進行了優(yōu)化，調(diào)整H形縫隙的臂長、寬度以及縫隙與貼片的間距等參數(shù)，以獲得最佳的耦合效果和帶寬性能。經(jīng)過多次仿真優(yōu)化，確定了H形縫隙的臂長為10mm，寬度為2mm，縫隙與貼片的間距為3mm時，天線的帶寬得到了顯著展寬，在兩個頻段的軸比性能也滿足設(shè)計要求。饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是實現(xiàn)天線良好性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。采用了微帶線饋電方式，并結(jié)合多級RC-CR級聯(lián)電路進行饋電網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計。微帶線饋電具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成的優(yōu)點，適合小型化天線的設(shè)計。多級RC-CR級聯(lián)電路通過合理設(shè)計電阻和電容的參數(shù)，能夠?qū)π盘栠M行有效的相位調(diào)整和阻抗匹配，以滿足天線在不同頻率下的圓極化和阻抗匹配要求。設(shè)計了一個三級RC-CR級聯(lián)電路，各級的電阻和電容值分別為R1=50Ω，C1=10pF；R2=30Ω，C2=15pF；R3=20Ω，C3=20pF。通過仿真分析，該饋電網(wǎng)絡(luò)能夠在2.4GHz和5.8GHz頻段實現(xiàn)良好的阻抗匹配，將信號有效地傳輸?shù)教炀€輻射單元，同時保證了天線的圓極化性能。在整個設(shè)計過程中，通過不斷地調(diào)整和優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)、饋電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并結(jié)合仿真分析結(jié)果進行反復驗證，最終實現(xiàn)了滿足設(shè)計目標與要求的小型圓極化天線設(shè)計。5.2仿真與實驗結(jié)果分析5.2.1仿真分析利用電磁仿真軟件AnsoftHFSS對設(shè)計的小型圓極化天線進行全面的性能仿真，深入分析其帶寬、軸比、增益等關(guān)鍵參數(shù)的仿真結(jié)果，以評估天線設(shè)計的合理性和性能優(yōu)劣。從帶寬性能來看，仿真結(jié)果顯示，該天線在2.4GHz頻段，駐波比小于2的阻抗帶寬達到了250MHz，覆蓋范圍從2.3GHz至2.55GHz，滿足設(shè)計要求中200MHz以上的帶寬指標。在5.8GHz頻段，阻抗帶寬為300MHz，頻率范圍從5.6GHz至5.9GHz，同樣滿足設(shè)計要求。通過對多層貼片結(jié)構(gòu)和縫隙耦合技術(shù)的合理應(yīng)用，天線成功引入了多個諧振模式，這些諧振模式相互疊加，有效地拓展了天線的工作帶寬。多層貼片結(jié)構(gòu)中的寄生貼片與主輻射貼片之間的電磁耦合作用，使得天線在不同頻率下產(chǎn)生多個諧振點，從而增加了帶寬；縫隙耦合技術(shù)通過在接地板上開設(shè)H形縫隙，實現(xiàn)了饋線與輻射單元之間的高效電磁耦合，進一步展寬了天線帶寬。在軸比性能方面，仿真結(jié)果表明，在2.4GHz頻段，天線的軸比帶寬（軸比小于3dB）為120MHz，覆蓋頻率范圍從2.35GHz至2.47GHz。在5.8GHz頻段，軸比帶寬達到了180MHz，頻率范圍從5.71GHz至5.89GHz。這意味著在這兩個頻段的相應(yīng)頻率范圍內(nèi)，天線能夠?qū)崿F(xiàn)良好的圓極化輻射，電場矢量的端點在空間中近似描繪出圓形軌跡，保證了信號的極化純度。通過優(yōu)化貼片的切角尺寸和饋電網(wǎng)絡(luò)的相位差，有效地調(diào)整了天線的電場分布，實現(xiàn)了在寬頻帶內(nèi)較低的軸比，滿足了設(shè)計要求中2.4GHz頻段軸比帶寬100MHz以上、5.8GHz頻段軸比帶寬150MHz以上的指標。增益性能也是衡量天線性能的重要指標之一。仿真結(jié)果顯示，在2.4GHz頻段，天線的增益在大部分頻帶內(nèi)保持在3.5dBi以上，在中心頻率2.4GHz處，增益達到了3.8dBi。在5.8GHz頻段，增益在大部分頻帶內(nèi)大于5.5dBi，在5.8GHz中心頻率處，增益為5.8dBi。通過合理設(shè)計天線的輻射結(jié)構(gòu)和優(yōu)化饋電網(wǎng)絡(luò)，使得天線能夠?qū)⑤斎牍β视行У丶休椛涞教囟ǚ较?，提高了增益性能。多層貼片結(jié)構(gòu)和縫隙耦合技術(shù)不僅有助于展寬帶寬，還對增益性能有一定的提升作用，它們優(yōu)化了天線的輻射效率，使得更多的能量被輻射到空間中，從而提高了增益。5.2.2實驗驗證為了驗證仿真結(jié)果的準確性和設(shè)計方案的可行性，制作了小型圓極化天線樣機，并利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、天線測試暗室等實驗設(shè)備進行了全面的實驗測試，將實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比分析，深入探討誤差產(chǎn)生的原因。在帶寬測試方面，實驗結(jié)果表明，天線在2.4GHz頻段，駐波比小于2的阻抗帶寬為230MHz，覆蓋頻率范圍從2.32GHz至2.55GHz。在5.8GHz頻段，阻抗帶寬為280MHz，頻率范圍從5.62GHz至5.9GHz。與仿真結(jié)果相比，2.4GHz頻段的帶寬略窄，相差20MHz；5.8GHz頻段的帶寬也略窄，相差20MHz。分析誤差原因，主要是在天線制作過程中，存在一定的加工精度誤差。貼片尺寸的微小偏差、介質(zhì)基板厚度的不均勻性以及饋電網(wǎng)絡(luò)中元件參數(shù)的實際值與理論值的差異，都可能導致天線的實際諧振頻率和阻抗匹配發(fā)生變化，從而影響帶寬性能。實驗環(huán)境中的干擾因素，如測試暗室的反射等，也可能對測試結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。軸比測試結(jié)果顯示，在2.4GHz頻段，天線的軸比帶寬（軸比小于3dB）為110MHz，覆蓋頻率范圍從2.37GHz至2.48GHz。在5.8GHz頻段，軸比帶寬為170MHz，頻率范圍從5.73GHz至5.9GHz。與仿真結(jié)果相比，2.4GHz頻段的軸比帶寬略窄，相差10MHz；5.8GHz頻段的軸比帶寬也略窄，相差10MHz。軸比誤差的產(chǎn)生，除了制作工藝誤差和實驗環(huán)境干擾外，還可能與天線的裝配精度有關(guān)。天線各部分之間的相對位置偏差可能會導致電場分布發(fā)生變化，進而影響軸比性能。增益測試結(jié)果表明，在2.4GHz頻段，天線的增益在大部分頻帶內(nèi)