开发与测试一种覆盖 C 频段和 X 频段应用的紧凑型双频圆极化超宽带天线

为拥挤的无线世界打造更聪明的天线

从机上视频流到为自动驾驶汽车导航以及连接远程传感器，现代生活高度依赖看不见的无线电波。但要在不丢失连接或依赖笨重硬件的情况下在空中传输更多数据，须要体积小、效率高且对设备旋转和姿态变化有容忍力的天线。本文报道了一种新的微型天线设计，能够在极宽的频率范围内可靠通信，并能自动应对方向变化，为雷达、卫星链路、Wi‑Fi、5G 及更广泛的应用提供更便宜、更灵活的设备选择。

电磁波的“旋转”为何重要

无线电波不仅仅是振荡，它们还有一种旋转——极化。大多数天线发射在单一平面摆动的波，当手机或无人机转动时，该平面可能失配，信号变弱。在圆极化中，电场像螺旋一样旋转，因此设备的旋转对接收影响较小，来自墙壁或建筑物的反射也不容易破坏信号。圆极化天线因此在卫星导航、雷达、RFID 标签和无线网络中很受重视，但要把它们做得既紧凑又能覆盖极宽的频带一直是一个长期挑战。

小巧天线，大范围覆盖

作者提出了一种微带天线——本质上是在电路板上的薄金属图形——它既实现了超宽带，又在两个关键频段上呈现圆极化。该天线基于廉价的厚度仅 1.6 毫米的 FR4 电路基板，成品尺寸小于邮票，但工作频率约为 3.7 到 15.1 吉赫。单一设计因此涵盖了大部分所谓的 C 频段和 X 频段，这些频段用于气象雷达、高分辨成像、部分 5G 服务、Wi‑Fi 6E 和卫星链路。在这宽广的频谱中，天线在大约 6.7–8.4 GHz 和 8.5–9.5 GHz 两个窗内产生较好的圆极化，同时实现约 2.65 dBi 的峰值增益——考虑到损耗较高且成本低廉的基板，这一性能令人印象深刻。

通过塑形金属以塑造电磁波

为达到该性能，团队并未依赖奇异材料，而是通过精心雕琢铜层实现。他们从一个简单的 U 形金属迹线和部分地面平面开始，该结构表现为基本的窄带天线。通过将 U 闭合成环并在地面附近增加一条附加的“寄生”金属条，他们拓宽了工作频率。最终设计类似一个带有两个内部小缺口的方形螺旋环，并配有两个额外金属件和刻意缩短的地平面，地平面上还装有两个小短截线。这些附加结构微妙地引导表面电流的分布，形成两个幅度相等但时间上有相位差的波分量——正是实现圆极化所需——同时拉宽了阻抗带宽，使天线在超过一倍频程的范围内保持良好匹配。

对原型的实际测试

在仿真中优化尺寸后，研究人员制作了天线并在消声（无回声）室中对其进行测量。他们比较了三种版本——初始的 U 形贴片、中间的环形和最终设计——并跟踪关键指标：天线向发射端反射功率的强弱、增益随频率的变化以及极化接近圆极化的程度。最终版本明显优于前身，表现出最深的信号“凹陷”（表明辐射效率高）、最宽的可用带宽，以及在目标圆极化频段内轴比低于 3 dB。仿真与测量的并列曲线高度一致，增强了人们的信心，即使 FR4 在高频存在已知损耗，该设计也能从计算模型成功过渡到实际硬件。

从实验板到真实无线电系统

由于它兼具宽频覆盖、双重圆极化频带、适度增益和在廉价标准电路板上的极小体积，这种天线非常适合多种实用场景。它可用于紧凑型雷达传感器、卫星接收机以及必须在设备旋转或弯曲时保持可靠的高速无线链路，例如无人机、车辆和可穿戴设备。简而言之，这项工作展示了如何通过在小型电路板上巧妙地布置金属图形，引导无线电波实现宽广且稳健的覆盖，而无需依赖笨重或昂贵的结构——这是通向更灵活、更经济无线系统的重要一步。

引用: Kolusu, D., Nanda, S. Developing and examining a compact dual band circularly polarized ultra-wideband antenna covering C-band and X-band applications. Sci Rep 16, 5283 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35607-1

关键词: 圆极化, 超宽带天线, C 频段, X 频段, 无线通信