圓極化
關注創建者：320科技工作室 創建時間：2021-06-12
圓極化的實例教程
電磁波的極化特性依據電場矢量空間軌跡可分為線極化、圓極化和橢圓極化三種基本類型。其中，圓極化波表現為電場矢量端點以恒定幅度作圓周旋轉，按旋轉方向分為左旋圓極化（LHCP）與右旋圓極化（RHCP）。基于此極化特性設計的天線即為圓極化天線，其通過正交饋電結構產生相位差為90°、幅度相等的兩路線極化波，合成后形成圓極化輻射場。
圓極化天線在現代無線系統中具有不可替代的核心價值：抗干擾優勢：可顯著抑制多徑效應和法拉第旋轉效應，提升復雜環境下的信號穩定性；極化靈活性：對收發天線的空間取向不敏感，避免線極化系統的極化失配損失；關鍵應用場景：衛星通信中克服星體自旋及電離層干擾（如GPS采用右旋圓極化）；雷達目標識別利用反向旋向隔離特性增強探測精度；移動通信系統減少雨霧衰減與多徑衰落。其技術演進持續推動高增益寬帶陣列（如超表面天線）與小型化設計的發展，為5G/6G及空天信息網絡提供基礎支撐。
微帶天線因重量輕、制作成本低等特點被廣泛用于。傳統微帶天線的帶寬窄，微帶天線寬帶化設計中，多層法通過引入多個輻射貼片與介質層構建多諧振結構，顯著拓展工作帶寬。其核心原理是利用層間電磁耦合激發相鄰諧振點，實現阻抗帶寬的疊加拓寬。本文設計了一款工作在3.3-3.87GHz的雙層圓極化天線。首先設計了雙饋電的貼片單元，然后用雙層耦合的形式進一步擴展帶寬，接著設計了小型化寬帶90度電橋，將該電橋和天線集成，實現了良好的寬帶特性。
關鍵字：圓極化；微帶天線；寬帶化；小型化。
展開 隨著衛星通信，遙控遙感，雷達電子戰等技術的發展和廣泛應用，圓極化天線的應用越來越多，受到非常高的重視。使用圓極化，是為避免掉發射與接收天線因極化不匹配的關系而造成極化損耗，因為接收天線只需要對準發射天線即可，而不需考慮其極化的角度，在應用上可以使接收裝置，如RFID或是wireless sensor node的擺放較具彈性。在衛星通信時，電波穿過大氣層，會產生極化旋轉（法拉第旋轉效應），衛星通訊多采用圓極化天線。單點饋電的圓極化天線想展寬帶寬還是很困難的，帶寬較寬時多采用雙饋甚至四饋點，視實際應用場合確定帶寬，一般情況下只要求最大輻射方向的軸比，個別場合可能對低仰角的軸比有要求，軸比在HFSS中可以畫出方向圖，采用球形測試系統可以測出軸比的方向圖。
本文設計一種新型的圓極化微帶天線，實現右圓極化，體積小，重量輕，易于制作，可以廣泛應用于通信領域，本次設計的亮點是，與傳統的微帶饋電和同軸線饋電相比，采用先進的耦合饋電技術，這樣易于匹配電路，減少與貼片的耦合（patch），經過hfss軟件的模擬，達到很好的圓極化效果。此外，本次設計的天線，可以進行組陣列，實現載波束，高增益圓極化條件。
一、天線外形
天線采用雙程基板FR4，輻射單元是在圓形導體上開槽，一個十字行的開槽，改變電流的軌跡，實現電場E的90度相位差。
二.表面電流動態圖，可以清楚看出極化的方向
回波損耗S11情況。可以看到，諧振點在1.54G 左右，且低于-30Db，效果良好。
軸比和極化情況，可以在增益圓圖看出，實現的是右圓極化，且極化效果很好
總結：本文提出一種新型圓極化設計，可以為工程師實現天線極化要求提供一些參考。
展開 但是近年來，由于天線使用平臺的特殊要求，傳統的單一的線極化天線已經不能滿足實際的要求，圓極化天線越來越受到人們的重視。
當前圓極化微帶天線的研究課題有高增益圓極化天線、雙圓極化微帶天線、寬頻帶圓極化微帶天線等。本文研究設計了一個高增益圓極化微帶天線陣列，工作在中心頻率8.3GHZ。文章的目的是拋磚引玉，希望各位大佬相互借鑒交流學習，多多指教。
一 單元天線設計
如下圖所示，實現圓極化的方法有切角等方法，這里不再贅述
本文設計的采用經典圖1的方法，采用背部饋電，之所以沒用微帶線饋電，是因為微帶線電流輻射會影響到天線，采用背部饋電，組成饋電網絡時影響最小。單元如下圖下圖是對關鍵參數的掃描，關鍵參數有切角寬度，方形貼片寬度，同軸線位置等，下面只給出貼片長度對s11和AR的影響
經過hfss軟件優化器的運算，得出最優解如下圖
二陣列設計
單元設計完成，接下來是陣列，根據陣列理論，影響性能的因素較多，間距，饋電網絡等都會產生很大影響，經過不斷調試，最終陣列為4X4，如下圖
本次設計陣列采用雙層基板，基板中間是地板，背面的饋電如下圖，同時給出電流分布
下面是陣列主要指標，s11，AR，增益等
以上三圖可知，諧振點在8.3GHZ左右，軸比AR小于3dB,3dB寬度較窄，SLL在14dB，可以根據要求調整陣列，實現更小的SLL
三 總結
本文提出一種4X4的陣列，效果較好，容易加工。
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圖1 對數周期天線結構圖
圖2對數周期天線增益等值曲線
二．天線設計
根據相關理論，計算出天線最長振子L1，最短Ln，確定比例因子與間隔因子，建立如下模型：
圖3 交叉放置天線模型
圖4 天線反射系數
圖5 天線交叉隔離度
圖3給出天線的模型，天線交叉垂直放置，在短振子處進行交叉饋電，圖4是反射系數，在200MHz到520MHz范圍內均小于-10dB，圖5是天線交叉極化隔離情況，可以看到在整個頻帶內，隔離度大于40dB。
圖6 200MHz方向圖
圖7 400MHz 方向圖
圖8 600MHz方向圖
圖6-8給出天線的方向圖，可以看到在這三個頻點均有很好的方向性。
圖9 phi=90度方向圖
圖10 theta=90 度方向圖
圖11 phi=0度方向圖
圖9-11給出三個面的方向圖，選擇頻點為400MHz，可以看出方向性很好。
圖12 400MHz時電流
圖12給出400MHz頻點的電流，可以看到最大地方為靠近中心位置。
圖13 天線軸比
圖13給出交叉饋電情況下的軸比，根據圓極化波是由兩個正交90度，幅度相同而相位差90度的電場構成，可以用寬帶線極化天線構建寬帶圓極化，不過難點是設計寬帶功分器。
三．總結
本文根據相關理論，設計了一款由對數周期天線交叉放置的圓極化天線，并且給出了天線的方向圖，增益，反射系數，軸比等關鍵數據，提供了一種實現寬帶圓極化的思路。
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基于HFSS的寬帶圓極化天線設計2個月前
電磁波的極化特性依據電場矢量空間軌跡可分為線極化、圓極化和橢圓極化三種基本類型。其中，圓極化波表現為電場矢量端點以恒定幅度作圓周旋轉，按旋轉方向分為左旋圓極化（LHCP）與右旋圓極化（RHCP）。基于此極化特性設計的天線即為圓極化天線，其通過正交饋電結構產生相位差為90°、幅度相等的兩路線極化波，合成后形成圓極化輻射場。
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因此，對于TEM波而言，不論是圓極化波還是線極化波，其電場與磁場均存在于x、y平面內， 線性動量p平行于z軸，因此在傳播方向上不會有角動量產生。這表明，在傳播方向上，如果沒有電場或者磁場的分布則角動量也不會產生。實際情況下，由于有限性的限制，TEM波是不存在的，軸向場總是存在，因此電磁輻射總會伴隨著角動量的傳輸。
圖13 天線軸比
圖13給出交叉饋電情況下的軸比，根據圓極化波是由兩個正交90度，幅度相同而相位差90度的電場構成，可以用寬帶線極化天線構建寬帶圓極化，不過難點是設計寬帶功分器。
三．總結
本文根據相關理論，設計了一款由對數周期天線交叉放置的圓極化天線，并且給出了天線的方向圖，增益，反射系數，軸比等關鍵數據，提供了一種實現寬帶圓極化的思路。
在完成樣件測試后，一個3D打印的螺旋結構、金屬地板和同軸探針組成的圓極化介質螺旋天線被設計、加工出來。
隨后，工程師利用矢量網絡分析儀(VNA)和微波暗室分別對其阻抗和輻射特性進行了測試。
實測的反射系數、軸比以及天線在5.2和5.4 GHz時的輻射方向圖均與仿真結果吻合較好，提出的介質螺旋天線能夠提供衛星通信所必需的寬帶圓極化輻射。
HFSS軟件擁有強大的天線設計功能，濾波器微信公眾號認為它可以計算天線參量，如增益、方向性、遠場方向圖剖面、遠場3D圖和3dB帶寬;繪制極化特性，包括球形 場分量、圓極化場分量、Ludwig第三定義場分量和軸比。使用HFSS，可以計算：
① 基本電磁場數值解和開邊界問題，近遠場輻射問題;② 端口特征阻抗和傳輸常數;③ S參數和相應埠阻抗的歸一化S參數;④ 結構的本征模或諧振解。
箭頭顯示右旋圓極化，其分量幾乎是徑向的。近似球形的表面表示增益的大小。
通過高斯定律可以將靜電場與電荷量相關聯，根據安培定律可以確定磁場與電流的關系，根據法拉第定律，可以使用麥克斯韋方程組分析動力學，比如時變磁場產生的感應電場。麥克斯韋自己的決定性貢獻在于，他引入了時變電場產生的位移電流，從而完善了對電磁場波特性的描述。
7、基于HFSS的圓極化陣列天線設計
作者：
320科技工作室
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當下，人類生活的信息時代正在進行著翻天覆地的大變革，無線通信技術日新月異，移動通信4G時代的到來更加推動了無線通信技術的發展。作為無線通信系統中最為重要的部分之一，天線也得到了飛速的發展。
但是近年來，由于天線使用平臺的特殊要求，傳統的單一的線極化天線已經不能滿足實際的要求，圓極化天線越來越受到人們的重視。
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GPS、北斗天線有不同的工藝可以制造，民用系統一般采用平面型結構，例如手機中，采用線極化的居多，軍工系統采用圓極化的3D結構，適應終端劇烈位置變化的裝機環境。
天線性能的比較涉及很多因素。行業中公認最佳的是加載高介電陶瓷的四臂螺旋天線。其對應的工藝也很復雜，我們這里推介一種新的制造工藝：3D打印技術（增材制造技術）。
