应用案例：利用短截线降低短接式贴片天线交叉极化的仿真

利用短截线降低短接式贴片天线交叉极化的仿真应用案例

01 摘要

文献（Neng-Wu Liu, “Cross-Polarization Reduction of a Shorted Patch Antenna With Broadside Radiation Using a Pair of Open-Ended Stubs,”IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 68, no. 1, pp. 13-20 Jan. 2020.）指出传统的短接式贴片天线在TM_1/2,2模式下，其表面的电场分布大致如下图所示：

                                             

考虑其在H平面（YOZ平面）上的远场辐射特性，|E_phi|分量由E₂,E₃确定，|E_theta|分量由E₁确定，在特定的尺寸下会出现|E_theta|过大而|E_phi|过小的情况，即交叉极化的现象。

为了降低上述的交叉极化现象，可以在贴片天线上增加一对如下图所示的短截线，改变贴片天线的电流分布，用以削弱远场的|E_theta|分量并增强电场的|E_phi|分量。

为了降低贴片天线的有效的辐射面积，可以将上述短截线进行了折弯处理。此时，改进后贴片天线TM_1/2,2模式的工作频点已经与原贴片天线TM_1/2,0模式的工作频点较为接近，对比两者的交叉极化现象，改进后的天线仍然具有明显的优势。

本文基于ANSYS HFSS软件仿真分析了一种上述的短接式贴片天线，计算天线的工作频点、贴片表面电流分布，远场辐射方向图，验证了文献中的结论。

02 HFSS仿真流程和结果

2.1短接式贴片天线

本文仿真的短接式贴片天线如上图所示，其中基片材质为F4B，不考虑Patch和Ground的厚度，设为PEC边界，基片和Ground的面积为150mm x 150 mm，基片厚度3mm，Patch面积为40mm x 26 mm，馈电点距离Patch的边界（x方向）为20.5 mm，Patch一端通过短接引脚接地。根据天线尺寸，预算TM_1/2,2模式的工作波长约为40mm，即工作频点大约在7.5GHz左右，扫频计算得到其工作频点为7.75GHz。

在工作频点下仿真计算贴片天线的表面电流分布和YOZ平面的远场方向图（GainPhi和GainTheta）。电流分布表面贴片天线的工作模式为TM_1/2,2模式，远场方向图表面此时天线存在严重的交叉极化现象，尤其是theta=0方向附近。

2.2   含有短截线的贴片天线

为了降低上述的交叉极化现象，可以在贴片天线上增加一对如下图所示的短截线，短截线的宽度为0.3mm，这里对短截线的长度进行参数扫描，取值为17.4mm、22.4mm、27.4mm和32.4mm。S₁₁的计算结果表面，随着短截线长度的增加，工作频点逐步降低。

远场方向图表明，随着短截线长度的增加，交叉极化的现象逐步改善。

2.3含有短截线的贴片天线

为了降低贴片天线的有效的辐射面积，可以将上述短截线进行折弯处理，本文中折弯处理的短截线总长度为22.4mm。其工作频点在2.67GHz。

改进后贴片��线TM_1/2,2模式的工作频点（2.67GHz）已经与原贴片天线TM_1/2,0模式的工作频点（1.91GHz）较为接近，对比两者的交叉极化现象，改进后的天线仍然具有明显的优势。

03 结论

1. 传统的短接式贴片天线在TM_1/2,2模式下，H平面存在严重的交叉极化现象；

2. 通过增加一对短截线，可以通过改变贴片天线表面的电流分布，从而改善交叉极化；

3. 通过，仿真计算可以验证上述结论。

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