基于HFSS的宽带圆极化天线设计

电磁波的极化特性依据电场矢量空间轨迹可分为线极化、圆极化和椭圆极化三种基本类型。其中，圆极化波表现为电场矢量端点以恒定幅度作圆周旋转，按旋转方向分为左旋圆极化（LHCP）与右旋圆极化（RHCP）。基于此极化特性设计的天线即为圆极化天线，其通过正交馈电结构产生相位差为90°、幅度相等的两路线极化波，合成后形成圆极化辐射场。

圆极化天线在现代无线系统中具有不可替代的核心价值：抗干扰优势：可显著抑制多径效应和法拉第旋转效应，提升复杂环境下的信号稳定性；极化灵活性：对收发天线的空间取向不敏感，避免线极化系统的极化失配损失；关键应用场景：卫星通信中克服星体自旋及电离层干扰（如GPS采用右旋圆极化）；雷达目标识别利用反向旋向隔离特性增强探测精度；移动通信系统减少雨雾衰减与多径衰落。其技术演进持续推动高增益宽带阵列（如超表面天线）与小型化设计的发展，为5G/6G及空天信息网络提供基础支撑。

微带天线因重量轻、制作成本低等特点被广泛用于。传统微带天线的带宽窄，微带天线宽带化设计中，多层法通过引入多个辐射贴片与介质层构建多谐振结构，显著拓展工作带宽。其核心原理是利用层间电磁耦合激发相邻谐振点，实现阻抗带宽的叠加拓宽。本文设计了一款工作在3.3-3.87GHz的双层圆极化天线。首先设计了双馈电的贴片单元，然后用双层耦合的形式进一步扩展带宽，接着设计了小型化宽带90度电桥，将该电桥和天线集成，实现了良好的宽带特性。

关键字：圆极化；微带天线；宽带化；小型化。

1. 双层微带天线设计

图1

如图1所示，天线采用双层结构，下方是正方形贴片，在两个角引出馈电点，这两个点施加幅度相同，相位相差90度的激励信号，天线将实现圆极化辐射

二．90度小型化电桥设计

图2

图2是所设计的电桥，采用两个常规的90度电桥级联，为进一步缩小空间，采用弯折处理，仿真得到的s参数如下。

图3 输出相位

图4 S11

图3和图4表现出良好的相位和损耗特性，说明可以用于所设计的天线中。

1. 宽带圆极化天线

将前面设计的微带单元和馈电网络集成，得到图5的结构

图5 天线正面与背面

下面的具体仿真数据

图6 Gain

图7 方向图

图8 轴比

图9 S11

图6给出了天线的实际增益，可以看到该天线辐射右旋圆极化波，在3.4-3.85GHz范围内增益大于8dBic；图7给出2D方向图，该图表明其辐射方向稳定；图8是轴比，在工作范围内均小于3dB；最后给出S11，同样表现出良好的低反射性能。

总结

本文设计了一款基于耦合双层的圆极化天线，在3.4-3.8GHz范围内实现良好的圆极化特性，增益大于8dBic，方向图稳定，下一步可应用到导航或者阵列相控阵天线中。