1.设计背景
我们知道任意天线辐射的电磁波都是椭圆极化波，其极端情况是线极化波和圆极化波，传统的无线通信设备加载的是线极化天线，辐射线极化波。线极化波很容易受到气候、环境、载体运动方位等因素的影响而带来极化偏转损失甚至是失效，很难满足新时代无线通信的要求。采用圆极化天线辐射的圆极化波极化偏转损失较小，并且遇到反射物后会产生极化反转。在无线网络中可以不拘束于天线的摆放方位从而使无线通信设备进行正常通信；在卫星通信应用中可以消除电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变损失；在卫星、遥感遥测、雷达等系统应用中可以减少信号的漏失，圆极化天线作为天线家族中的一员，在雷达、遥感、通信、军事等多个方面获得了广泛关注。圆极化微带天线的优点是剖面薄、易实现、方向性不敏感和易共形，而一般圆极化微带天线的缺点也较突出，即带宽较窄。这一缺点对过往陈旧的通信设备没有太大影响，但是现如今通信技术的迅猛发展使得市场上的通信设备不断朝着高速、高容量的趋势发展，这也对设备中的天线提出更严格的要求，要求天线实现宽带化。因此设计具有宽频带性能的圆极化微带天线是大势所趋。
2.设计指标
(1)频率:2170-2200MHz(接收)，1980-2010Mhz(发射)
(2)增益:在正负20度波束宽度内，大于10dB
(3)极化:左旋圆极化
(4)驻波:1.5
(5)轴比:<3dB
(6)输入输出接口:SMA
(7)输入输出阻抗:50欧姆
(8)尺寸:小于200*200*18mm^3
3.设计原理
（1）辐射原理
通常微带天线的辐射由导体跟接地板共同决定，确切的说是由接地板和导体边沿形成的场产生的。微带天线的典型结构如图1所示，其中图1(a)是一个矩形微带贴片。假设电场在微带结构的宽度与厚度方向没有变化时，微带天线的电场结构就变为图1(b)所示，这时电场仅在半波长(入/2)的贴片长度方向变化。将场以地板为参考向量，就可以分解为法向量和切向向量，又因为贴片长此时头λ/2，所以分解后的场在法向量处反向，那么法向量产生的远场区相互抵消，在法向量处几乎不产生辐射场。进一步，切向分量相对于地板平行且同向，切向向量相互叠加，使得水平方向合成场增加，易得辐射场最强之处在垂直与结构表面方向上。进一步分析水平方向上的电场，取无限大的水平面作为参考平面，则可以采用两个具有同相激励的缝隙来等效水平电场，如图1(c)所示，并且两个辐射缝隙同向激励。
- 矩形微带天线结构 （b）微带天线侧视图 （c）微带天线俯视图
图1 微带天线
（2）馈电原理
微带天线的激励方法也称为馈电方法，种类很多，馈电方式的不同天线的性能也大有差异。在这里我们主要使用的耦合馈电，耦合馈电包括临近耦合馈电和缝隙耦合馈电，是一种非接触的馈电，耦合馈电能够有效的展宽带宽，可以将工作带宽提高到10%以上，刚好能够覆盖接收和发送频率1980-2200Mhz。
图2 耦合馈电
这种结构的馈线一般不和辐射片在同一个面，因此降低了馈线对天线辐射方向图的干扰，达到展宽带宽的目的。同时，这种馈电结构由于馈电线是在介质基板的下方，属于开放平面，因而这种耦合馈电的天线也易于与其他元器件集成。
- 天线结构设计
对于阵元设计的基本要求是：结构简单，馈电容易，这样才能便于在阵列使用。同时，做为天线的基本参数也要保证，主要是以下几个基本方面：中心频率及频带宽度，方向图及增益性能，阻抗特性等。
（1）通过天线增益指标，我们可以得到目标天线可以采用阵列方式更容易达到要求，首先设计出天线的阵元，在进行阵列的设计。
①根据微带贴片天线的经验公式计算天线的尺寸，若已知的参数有εr（2.2），fr(Hz)（中心频率2.09GHz）和h（1.575mm），要求W和L。计算公式为：
(3.1)
由式(3.2)求出微带传输线的有效介电常数εre
(3.2)
将(3.1)式求出的W 代入(3.3)式求出拉伸长度ΔL
(3.3)
由(3.4)式中解出实际的长度 ，或通过下式求解
(3.4)
公式计算得出W=47.64mm，L=56.73mm
②微带贴片天线实现圆极化
实现圆极化的原理就是产生两个正交的线极化电场分量，并且两者振幅相等，相位相差90度。微带天线实现圆极化有多种方式，有单点馈电法、多点馈电法和多元法。顾名思义，单点馈电法只有一个馈电点。首先由合适的馈电点产生正交简并模，然后对天线辐射结构引入微扰单元，使天线表面电流相位发生改变，使两个极化正交的简并模的相位差90度，从而满足辐射圆极化波所需条件。实际设计天线中有多种形式是通过单点馈电法来实现微带天线圆极化的,主要目
的是为了引入合适的微扰单元，也称简并微扰单元，比如切角、开槽等，此次天线设计我们采用单点同轴馈电法的切角设计方式如图3所示。
图3 微带贴片天线
③使用HFSS仿真天线的各项参数
I.查看天线谐振频率
辐射贴片通过公式计算得出为W=47.64mm，L=56.73mm，要实现圆极化，通过切角的方式，则辐射贴片需要设置为正方形，取中值W=L=52mm，设置45-52mm分别仿真得出S11如图4所示。
图4 天线谐振频率
通过扫描W参数得到最佳的W=46.8mm，最后的S11如图5所示
图5 天线谐振频率
微带贴片圆极化天线是通过使用馈电结构激发具有90°相位差的两个正交线性极化模式产生圆极化。通过切角产生微扰的单馈圆极化天线的工作带宽通常比较窄。另外，使用功分网络或者多层基板可以展宽圆极化天线的轴比带宽，但相对于单点馈电圆极化天线，其结构稍显复杂，在这里我们采用低介质系数的材料做基板使得带宽达到4％～5％。
II.查看天线的轴比
通过切角的方式得到圆极化，馈电点的位置Xf影响圆极化的圆度，使用参数扫描Xf位置，选取最好的结果Xf=13.5，最后的轴比结果如图6所示
图6 天线轴比
设置谐振点中心点2.09GHz，仿真得到图6我们可以看出天线的轴比在theta角-50°~50°都是3dB以下，说明天线的圆极化还是很不错的。
III.查看天线振元的增益
图7 天线左旋圆极化增益
通过图7可以得出天线的极化方式为左旋圆极化，单个天线振元的最大增益为7.27dB，通过组合阵列的方式每增加一级振元增益大约增加3dB，得出大概计算得出组成4元振列天线最大增益达到13dB左右，能够达到设计要求。
图8 3D方向图
IV.查看天线的输入输出阻抗
输入阻抗是天线与馈线相连接的地方的阻抗值。因为天线的输入阻抗与天线本身的结构、激励方式以及周围的物体和环境有关，因此通常讨论天线的输入阻抗时假设天线是孤立的。天线振元采用同轴馈电，同轴线的输入阻抗为50欧姆阻抗，所以能够达到很好的匹配。
（2）第一节是对天线振元的设计，下面对天线阵列进行设计
因为原始设计仅确定了天线单元和匹配网络的尺寸，而天线阵的行间距和列间的尺寸都未确定，所以仿真的重点在于找到合适的行间距和列间距，使得天线阵的辐射性能达到最佳。
①首先我们采用最常见的2X2阵列排列方式，通过扫描振元与振元之间的间距，确定天线的工作频率，得到最优的结果列和行间隔为L1=33.2mm。建立模型如图9所示。
图9 阵列天线模型
②仿真得出阵列天线谐振频率如图10所示
图10 阵列天线谐振频率
③仿真得出天线的3D方向图如图11所示
图11 3D增益立体图
④仿真得出天线的增益如图12所示
图12 阵列天线左旋圆极化增益
⑤仿真得出天线的电压驻波比如图13所示
图13 阵列天线电压驻波比
⑥仿真得出天线的轴比如图14所示
图14 阵列天线轴比
⑦天线的输入输出阻抗
由于电脑的仿真效率比较低，所以未能设计出合适的耦合馈电网络，暂时采用阵列天线采用同轴馈电，同轴线的输入阻抗为50欧姆阻抗，所以能够达到很好的匹配。
⑧计算天线的尺寸
振元介质基板长度与宽度相同，都为90mm，使用2X2排列其尺寸为180mm，介质基板的厚度为1.575mm。