双极化混合馈电微带贴片天线安婷婷1张文梅1(山西大学物理电子工程学院，太原030006)1摘要：提出了一种新型的双极化混合馈电微带贴片天线，天线采用探针馈电与孔径耦合馈电相结合的混合馈电方式，结合“T”型馈线提高了端口隔离度，“Hour glass”形的槽改善了输入端口的阻抗特性。
用商业软件Designer(SV)对天线的电特性进行仿真优化，天线的谐振频率为2.40GHz，端口1和2的反射损耗分别为-26.97dB和-25.45dB，端口隔离度为-22.28dB。
关键词：双极化，混合馈电，微带贴片天线A Dual-polarized Microstrip Patch Antenna Fed by Hybrid StructureAn tingting1Zhang wenmei1(College of Physics and Electronics Engineering, Shanxi University of China, Taiyuan 030006)1Abstract: A new dual-polarized microstrip patch antenna fed by hybrid structure is presented. In order to improve isolation between two ports, hybrid feed (probe feed and aperture coupled feed) and “T” shaped microstrip line are used. The “Hour glass” shaped slot can improve the input impedance. The parameters of the antenna are calculated by Ansoft Designer (SV) simulation. The center frequency of the antenna is 2.40 GHz, the return loss for port 1 is -26.97 dB, and -25.45 dB for port 2, and the isolation between two ports is -22.28 dB.Keywords: Dual-polarized; Hybrid feed; Microstrip patch antenna1 引言近年来，随着无线通信系统用户的迅猛增长，通信信息容量需求的不断增大，能有效解决多径衰落问题的分集天线得到了广泛应用。
而分集技术中的双极化技术是无线通信领域十分重要的技术，它可用来实现极化分集和极化复用，其中极化分集是解决无线信道多径衰落的有效方法，而极化复用则可以更加有效地利用有限的频谱资源。
双极化天线能够互不干扰地发送或接收两种极化波，从而实现频谱复用。
到目前为止，双极化微带天线在国内外都有很大发展。
文献[1]-[3]提出了孔径耦合馈电的双极化天线，其中[1]采用在贴片中心开十字槽来实现双极化，[2]采取开两个偏移中心的互相垂直的耦合槽来实现双极化，而[3]采用直线槽和C形槽来实现双极化。
文献[4]-[5]提出的双极化天线采用混合馈电的方式，[4]采用探针馈电与微带线馈电相结合的馈电方式，[5]采用电容耦合馈电与孔径耦合馈电相结合的馈电方式，极大提高了端口隔离度。
本文提出了一种新型的双极化混合馈电微带贴片天线，该天线采用探针馈电与孔径耦合馈电相结合的混合馈电方式，结合“T”型馈线提高了端口隔离度，“Hour glass”形的槽改善了输入端口的阻抗特性。
天线的谐振频率为2.40GHz，端口1和2的反射损耗分别为-26.97dB和-25.45dB，3dB相对带宽分别为2.50%，端口隔离度为-22.28dB，天线最大增益为3.865dBi。
该天线保持了孔径耦合贴片天线的优势，同时馈电同轴线垂直贴片，电缆占用空间小，基金项目：国家自然科学基金项目(60771052)；国家博士后基金特别资助(200801424)；山西省自然科学基金项目(2006011029)；太原市科技项目(0703004)是一种具有实用价值的双极化分集天线。
2 天线设计双极化混合馈电微带贴片天线的结构如图1所示，其中(a)为天线俯视图，(b)为天线侧视图。
5slot(a) 俯视图Port 2Port 1(b)侧视图图1 天线结构图天线由两层介质板构成，矩形辐射贴片蚀刻在第一层介质板的顶部，接地板和馈线分别位于下层介质板的上、下两侧。
一个“Hour glass”形的槽开在地板上，它可改善输入端口的阻抗特性。
馈线采用“T”型50Ω微带开路线。
两层介质板均采用相对介电常数εr=3.38，厚度h=0.762mm的Rogers材料。
天线采用两种方式激励，即垂直极化端口(port 1)采用探针馈电，水平极化端口(port 2)采用孔径耦合馈电。
混合馈电以及“T”型馈线都会提高端口隔离度。
双极化混合馈电微带贴片天线尺寸以及50Ω匹配馈电位置(x1,y1)的计算由公式(1)-(6)给出[6]。
结合孔径耦合的特点，下文分析了“T”型馈线对两端口隔离度的影响，及馈线参数w1、“Hour glass”形槽的宽w3、长l3对天线性能的影响。
212+=raελ（1）bbe∆-=22ελ（2）其中，()()⎪⎭⎫⎝⎛+-⎪⎭⎫⎝⎛++=∆8.0258.0264.03.0412.0tatatbeeεε（3）atrre1212121+-++=εεε（4）21ax=（5）()⎪⎭⎫⎝⎛≤≤-=-2315cos111bybabyrrεεπ（6）图2对比了“T”型馈线和普通微带馈线对天线隔离度的影响。
即参数w1分别为5mm与2mm，保持其他参数值固定，分别为a=32mm，b=32.4mm，l1=37mm，l2=7mm，l3=8mm，w2=2mm，w3=5mm，w4=1mm，w5=0.5mm，w6=0.5mm。
由图可以看出，天线采用“T”型馈线后，隔离度增加约10dB。
“T”型馈线主要影响孔径耦合端口的特性，对探针馈电端口特性影响不大。
馈线参数w1变化对端口2特性影响如图3所示，随着w1的增加，谐振频率稍有增加，反射损耗逐渐变差。
“Hour glass”形槽的宽w3、长l3与两端口谐振频率关系如图4、5所示。
如图4、5所示。
图4中参数w3变化时，其他参数为a=32mm，b=32.4mm，l1=37mm，l2=7mm，l3=8mm，w1=5mm，w2=2mm，w4=1mm，w5=0.5mm，w6=0.5mm。
图5中保持参数a=32mm，b=32.4mm，l1=37mm，l2=7mm，w1=5mm，w2=2mm，w3=5mm，w4=1mm，w5=0.5mm，w6=0.5mm 不变，改变参数l3。
由图4、5可以看出，槽宽w3变化对端口1的谐振频率影响较大，而长l3变化对端口2的谐振频率影响较大。
随着w3的增加，端口1的谐振频率呈直线下降，端口2的谐振频率稍有减小。
与w3对两端口谐振频率影响的变化相反，随着l3的增加，端口2的谐振频率呈直线下降，端口1的谐振频率稍有减小，当l3大于8mm时谐振频率基本不变。
·2··3·I s o l a t i o n (d B )Frequency(GHz)图2 两种馈线对隔离度的影响S 22(d B )Frequency(GHz)图3 w 1对端口2特性的影响F r e q u e n c y (GH z )w 3(mm)图4 w 3与两端口谐振频率关系图F r e q u e n c y (GH z )l 3(mm)图5 l 3与两端口谐振频率关系图3 仿真结果及分析利用商业软件Designer(SV)对双极化混合馈电微带贴片天线进行电磁仿真和优化，优化后的天线尺寸为：a=32mm ，b=32.4mm ，l 1=37mm ，l 2=7mm ，l 3=8mm ，w 1=5mm ，w 2=2mm ，w 3=5mm ，w 4=1mm ，w 5=0.5mm ，w 6=0.5mm 。
天线的S 参数、辐射特性、增益如图6～8所示。
S -p a r a m e t e r s (d B )Frequency(GHz)图6 仿真的天线S 参数天线的S 参数曲线仿真结果如图6所示。
由图可知天线谐振频率为2.40GHz ，端口1和2的反射损耗分别为-26.97dB 和-25.45dB ，3dB 相对带宽为2.50%，两端口隔离度为-22.28dB 。
图7分别给出了天线在频率为2.40GHz 时端口1和端口2在E 面、H 面的辐射方向图。
从图中可见，天线背面辐射较小。
因为孔径耦合馈电具有较好的交叉极化特性，所以天线端口2的交叉极化较端口1好。
天线增益如图8所示，天线最大增益为3.865dBi 。
-40-30-20-1000-40-30-20-10(a) 端口1·4· -50-40-30-20-1000-60-50-40-30-20-10(b) 端口2图7 天线辐射方向图(—Co-pol. (E-plane) …Cross-pol. (E-plane) Co-pol. (H-plane) + Cross-pol. (H-plane))4 结论本文提出了一种新型双极化混合馈电微带贴片天线，采用探针馈电与孔径耦合馈电相结合的混合馈电方式，具有良好的反射损耗、端口隔离度、辐射特性和增益。
本文提出的这种分集天线设计结构简单，参数易调节，独立性强，制作简单，性能良好，可以很好的满足新一代移动通信系统及宽带无线局域网(WLAN)的应用需求。
参考文献[1] M. Barba, A high-isolation, wideband and dual-linear polarization patch antenna, IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2008[2] S.C.Gao, L.W. Li, P. Gardner and P.S.Hall, Dual-polarized wideband microstrip antenna, Electronics Letters, 2007[3] S. K. Padhi, N. C. Karmakar, C. L. Law and S. Aditya, A dual polarized aperture coupled circular patch antenna using a C-shapedcoupling slot, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2003[4] Y. J. Kim, W. Yun and Y.J. Yoon,Dual-frequency and dual-polarization wideband microstrip antenna,Electronics Letters, 1999[5] K. L. Wong, T. W. Chiou, Broad-band dual-polarized patch antennas fed by capacitively coupled feed and slot-coupled feed, IEEETransactions on Antennas and Propagation, 2002[6] Y. P. Zhang, Design and experiment on differentially-driven microstrip antennas, IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2007作者简介：安婷婷，女，硕士，主要研究领域为射频与微波通信等。