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在通信领域，极化匹配及信号可靠性至关重要。研究人员开展圆极化（CP）印刷偶极子阵列天线研究，通过创新设计实现 41.12% 阻抗带宽和 35.02% 轴比带宽，适用于 WLAN、ISM 及卫星通信，提升通信性能。
在当今的通信世界里，就像不同语言的人交流存在障碍一样，通信天线之间也面临着诸多挑战。当发射和接收天线的极化方式不匹配时，信号就会大打折扣，就如同两个人说话却听不懂对方语言，信息传递变得困难重重。同时，多径干扰就像嘈杂的背景音，严重影响信号的质量。而且，在一些复杂的通信环境中，比如在高楼林立的城市，信号在建筑物间不断反射，极化方向变得混乱，通信的可靠性大大降低。
为了解决这些难题，来自伊朗亚苏季大学（Yasouj University）电气工程系的研究人员 Farshad Ghaedi 和 Aliakbar Dastranj 开展了一项关于圆极化（CP）印刷偶极子阵列天线（CP-PDA）的研究。他们的研究成果发表在《Scientific Reports》上，为通信领域带来了新的希望。
研究人员在这项研究中用到了几个关键技术方法。首先，采用标准 PCB 蚀刻技术在 FR4 和 Rogers RO4003 基板上制作天线。其次，利用 HFSS Version 2017 进行仿真模拟，用 Agilent E8363 C 网络分析仪进行实际测量，以此来验证天线性能。
下面来看看具体的研究结果。
1. LP-PDA 和 CP-PDA 的设计
研究人员先设计了带有集成巴伦（balun）的线性极化印刷偶极子天线（LP-PDA）。LP-PDA 的偶极子臂采用堆叠五个不同半径椭圆的半分形结构，这种设计就像搭建一个精巧的积木塔，在保持天线紧凑的同时，增加了有效电长度和带宽。而围绕偶极子臂的阶梯形寄生元件则是实现极化转换的关键。这些寄生元件就像神奇的 “信号魔法师”，通过电容耦合、相位延迟梯度和电流连续性这三种机制，与偶极子臂的电磁场相互作用，使线性极化转换为圆极化，从而得到 CP-PDA。从模拟和测量结果来看，CP-PDA 实现了 2.18 - 2.58GHz 的宽阻抗带宽，2.23 - 2.58GHz 的 3-dB 轴比带宽（ARBW），在中心频率 2.4GHz 处，3-dB 轴比波束宽度在不同角度范围也有良好表现，证明其在宽角度频谱上能实现稳定的圆极化辐射。
2. 圆极化印刷偶极子阵列天线的配置
研究人员将 CP-PDA 单元组成阵列，采用顺序旋转馈电网络。该网络由三个威尔金森功率分配器（Wilkinson power dividers）和微带线（microstrip lines）作为移相器构成。不同的基板材料被合理选用，FR4 基板用于中间和上层，因其成本效益高且与天线设计兼容；而罗杰斯 RO4003 基板用于下层，以降低馈电网络的插入损耗。通过这种巧妙的设计，阵列天线能够产生四个具有特定相位差的输出信号，增强了圆极化的纯度和一致性。
3. 阵列天线的仿真和实验结果
实验结果令人欣喜，该阵列天线实现了 41.12%（1.99 - 3.02GHz）的宽阻抗带宽，覆盖了 WLAN、ISM 频段以及 S 波段卫星应用的部分频段。轴比带宽也达到 35.02%（2.12 - 3.02GHz），在中心频率 2.4GHz 处，3-dB 轴比波束宽度在不同角度范围较宽，表明能在宽角度范围内保持强圆极化。此外，阵列天线在 2.55GHz 处实现了约 14.16dBic 的峰值右旋圆极化（RHCP）增益，且右旋圆极化主导明显，辐射方向图稳定单向，极化纯度高。
研究结论和讨论部分意义重大。该研究提出的阵列天线性能卓越，在多个频段都能良好工作，且具有高增益和稳定的辐射特性。其创新性的设计，包括分形启发的偶极子臂和阶梯形寄生元件，以及简单有效的馈电网络，为通信天线的发展开辟了新方向。与其他实现圆极化的方法相比，该设计具有结构简单、易于制造等优势，在实际应用中具有很大潜力，比如在 WLAN 路由器、ISM 频段物联网设备和 S 波段卫星终端等场景，能有效提升通信质量，减少信号衰落，增强信号在复杂环境中的传输能力，为未来通信技术的发展提供了重要的技术支持。
