1.設計背景
我們知道任意天線輻射的電磁波都是橢圓極化波，其極端情況是線極化波和圓極化波，傳統的無線通信裝置加載的是線極化天線，輻射線極化波。線極化波很容易受到氣候、環境、載體運動方位等因素的影響而帶來極化偏轉損失甚至是失效，很難滿足新時代無線通信的要求。采用圓極化天線輻射的圓極化波極化偏轉損失較小，并且遇到反射物後會産生極化反轉。在無線網絡中可以不拘束于天線的擺放方位進而使無線通信裝置進行正常通信；在衛星通信應用中可以消除電離層法拉第旋轉效應引起的極化畸變損失；在衛星、遙感遙測、雷達等系統應用中可以減少信号的漏失，圓極化天線作為天線家族中的一員，在雷達、遙感、通信、軍事等多個方面獲得了廣泛關注。圓極化微帶天線的優點是剖面薄、易實作、方向性不敏感和易共形，而一般圓極化微帶天線的缺點也較突出，即帶寬較窄。這一缺點對過往陳舊的通信裝置沒有太大影響，但是現如今通信技術的迅猛發展使得市場上的通信裝置不斷朝着高速、高容量的趨勢發展，這也對裝置中的天線提出更嚴格的要求，要求天線實作寬帶化。是以設計具有寬頻帶性能的圓極化微帶天線是大勢所趨。
2.設計名額
(1)頻率:2170-2200MHz(接收)，1980-2010Mhz(發射)
(2)增益:在正負20度波束寬度内，大于10dB
(3)極化:左旋圓極化
(4)駐波:1.5
(5)軸比:<3dB
(6)輸入輸出接口:SMA
(7)輸入輸出阻抗:50歐姆
(8)尺寸:小于200*200*18mm^3
3.設計原理
（1）輻射原理
通常微帶天線的輻射由導體跟接地闆共同決定，确切的說是由接地闆和導體邊沿形成的場産生的。微帶天線的典型結構如圖1所示，其中圖1(a)是一個矩形微帶貼片。假設電場在微帶結構的寬度與厚度方向沒有變化時，微帶天線的電場結構就變為圖1(b)所示，這時電場僅在半波長(入/2)的貼片長度方向變化。将場以地闆為參考向量，就可以分解為法向量和切向向量，又因為貼片長此時頭λ/2，是以分解後的場在法向量處反向，那麼法向量産生的遠場區互相抵消，在法向量處幾乎不産生輻射場。進一步，切向分量相對于地闆平行且同向，切向向量互相疊加，使得水準方向合成場增加，易得輻射場最強之處在垂直與結構表面方向上。進一步分析水準方向上的電場，取無限大的水準面作為參考平面，則可以采用兩個具有同相激勵的縫隙來等效水準電場，如圖1(c)所示，并且兩個輻射縫隙同向激勵。
- 矩形微帶天線結構 （b）微帶天線側視圖 （c）微帶天線俯視圖
圖1 微帶天線
（2）饋電原理
微帶天線的激勵方法也稱為饋電方法，種類很多，饋電方式的不同天線的性能也大有差異。在這裡我們主要使用的耦合饋電，耦合饋電包括臨近耦合饋電和縫隙耦合饋電，是一種非接觸的饋電，耦合饋電能夠有效的展寬帶寬，可以将工作帶寬提高到10%以上，剛好能夠覆寫接收和發送頻率1980-2200Mhz。
圖2 耦合饋電
這種結構的饋線一般不和輻射片在同一個面，是以降低了饋線對天線輻射方向圖的幹擾，達到展寬帶寬的目的。同時，這種饋電結構由于饋電線是在媒體基闆的下方，屬于開放平面，因而這種耦合饋電的天線也易于與其他元器件內建。
- 天線結構設計
對于陣元設計的基本要求是：結構簡單，饋電容易，這樣才能便于在陣列使用。同時，做為天線的基本參數也要保證，主要是以下幾個基本方面：中心頻率及頻帶寬度，方向圖及增益性能，阻抗特性等。
（1）通過天線增益名額，我們可以得到目标天線可以采用陣列方式更容易達到要求，首先設計出天線的陣元，在進行陣列的設計。
①根據微帶貼片天線的經驗公式計算天線的尺寸，若已知的參數有εr（2.2），fr(Hz)（中心頻率2.09GHz）和h（1.575mm），要求W和L。計算公式為：
(3.1)
由式(3.2)求出微帶傳輸線的有效介電常數εre
(3.2)
将(3.1)式求出的W 代入(3.3)式求出拉伸長度ΔL
(3.3)
由(3.4)式中解出實際的長度 ，或通過下式求解
(3.4)
公式計算得出W=47.64mm，L=56.73mm
②微帶貼片天線實作圓極化
實作圓極化的原理就是産生兩個正交的線極化電場分量，并且兩者振幅相等，相位相差90度。微帶天線實作圓極化有多種方式，有單點饋電法、多點饋電法和多元法。顧名思義，單點饋電法隻有一個饋電點。首先由合适的饋電點産生正交簡并模，然後對天線輻射結構引入微擾單元，使天線表面電流相位發生改變，使兩個極化正交的簡并模的相位差90度，進而滿足輻射圓極化波所需條件。實際設計天線中有多種形式是通過單點饋電法來實作微帶天線圓極化的,主要目
的是為了引入合适的微擾單元，也稱簡并微擾單元，比如切角、開槽等，此次天線設計我們采用單點同軸饋電法的切角設計方式如圖3所示。
圖3 微帶貼片天線
③使用HFSS仿真天線的各項參數
I.檢視天線諧振頻率
輻射貼片通過公式計算得出為W=47.64mm，L=56.73mm，要實作圓極化，通過切角的方式，則輻射貼片需要設定為正方形，取中值W=L=52mm，設定45-52mm分别仿真得出S11如圖4所示。
圖4 天線諧振頻率
通過掃描W參數得到最佳的W=46.8mm，最後的S11如圖5所示
圖5 天線諧振頻率
微帶貼片圓極化天線是通過使用饋電結構激發具有90°相位差的兩個正交線性極化模式産生圓極化。通過切角産生微擾的單饋圓極化天線的工作帶寬通常比較窄。另外，使用功分網絡或者多層基闆可以展寬圓極化天線的軸比帶寬，但相對于單點饋電圓極化天線，其結構稍顯複雜，在這裡我們采用低媒體系數的材料做基闆使得帶寬達到4％～5％。
II.檢視天線的軸比
通過切角的方式得到圓極化，饋電點的位置Xf影響圓極化的圓度，使用參數掃描Xf位置，選取最好的結果Xf=13.5，最後的軸比結果如圖6所示
圖6 天線軸比
設定諧振點中心點2.09GHz，仿真得到圖6我們可以看出天線的軸比在theta角-50°~50°都是3dB以下，說明天線的圓極化還是很不錯的。
III.檢視天線振元的增益
圖7 天線左旋圓極化增益
通過圖7可以得出天線的極化方式為左旋圓極化，單個天線振元的最大增益為7.27dB，通過組合陣列的方式每增加一級振元增益大約增加3dB，得出大概計算得出組成4元振列天線最大增益達到13dB左右，能夠達到設計要求。
圖8 3D方向圖
IV.檢視天線的輸入輸出阻抗
輸入阻抗是天線與饋線相連接配接的地方的阻抗值。因為天線的輸入阻抗與天線本身的結構、激勵方式以及周圍的物體和環境有關，是以通常讨論天線的輸入阻抗時假設天線是孤立的。天線振元采用同軸饋電，同軸線的輸入阻抗為50歐姆阻抗，是以能夠達到很好的比對。
（2）第一節是對天線振元的設計，下面對天線陣列進行設計
因為原始設計僅确定了天線單元和比對網絡的尺寸，而天線陣的行間距和列間的尺寸都未确定，是以仿真的重點在于找到合适的行間距和列間距，使得天線陣的輻射性能達到最佳。
①首先我們采用最常見的2X2陣列排列方式，通過掃描振元與振元之間的間距，确定天線的工作頻率，得到最優的結果列和行間隔為L1=33.2mm。建立模型如圖9所示。
圖9 陣列天線模型
②仿真得出陣列天線諧振頻率如圖10所示
圖10 陣列天線諧振頻率
③仿真得出天線的3D方向圖如圖11所示
圖11 3D增益立體圖
④仿真得出天線的增益如圖12所示
圖12 陣列天線左旋圓極化增益
⑤仿真得出天線的電壓駐波比如圖13所示
圖13 陣列天線電壓駐波比
⑥仿真得出天線的軸比如圖14所示
圖14 陣列天線軸比
⑦天線的輸入輸出阻抗
由于電腦的仿真效率比較低，是以未能設計出合适的耦合饋電網絡，暫時采用陣列天線采用同軸饋電，同軸線的輸入阻抗為50歐姆阻抗，是以能夠達到很好的比對。
⑧計算天線的尺寸
振元媒體基闆長度與寬度相同，都為90mm，使用2X2排列其尺寸為180mm，媒體基闆的厚度為1.575mm。