圆极化天线是一种发射和接收圆极化波的天线。基于圆极化波的特性,圆极化天线具有移动性强、抗多径衰落、受法拉第效应影响小等优势,已广泛应用于移动通信、卫星通信、全球定位系统(GPS)、射频识别(RFID)、无线局域网(WLAN)、直接广播电视接收系统(DBS)、无线传感器、无线功率传输等领域[1]。在这些系统中,宽带意味着高的通信速率,大的通信容量,或者不同功能的系统集成,推动了作为关键部件圆极化天线的宽带化。另一方面,传统宽带圆极化天线片面追求带宽的最大化而无法兼顾其它重要性能参数,从而限制了通信系统整体性能的提升。因此,高性能宽带圆极化天线研究已成为一个亟待解决并且具有很高应用价值的课题。高性能宽带圆极化天线大体上可通过两条途径实现。一种是引入高性能宽带的线极化天线结构并在此基础上实现圆极化;另一种是改良传统圆极化天线结构从而进一步地扩展带宽和提高整体性能。线极化的新型电磁偶极子(MED,magnet°-electric dip°le)天线具有超宽带特性和优良的整体性能,可用于圆极化天线设计以提升现有圆极化天线的技术水平。微带圆极化天线属于圆极化天线的重要分支之一,其具有剖面低、重量轻、易加工、易集成等诸多优点。然而,传统微带圆极化天线的带宽较窄仅10%左右,而且整体性能也亟需进一步提高。本文围绕新型MED天线和微带天线,以实现高性能宽带圆极化天线为目标开展了相关研究工作,主要研究内容和创新性成果如下:1.提出超宽带双圆极化MED天线。首先,通过改进现有超宽带双线极化MED天线的馈电结构来引入另一个谐振频率,从而将原来约52%的阻抗带宽扩展到了73.3%。其次,通过多枝节定向耦合器综合、高特性阻抗微带线设计、主干传输线折线化等手段实现了超宽带小型化六枝节微带混合电桥,取得了80.7%的有效带宽和53%的小型化。最后,通过共用接地板的方式结合双线极化MED天线和六枝节微带混合电桥,并引入尺寸微扰机制进一步地改善其圆极化特性,最终实现了整体性能优良的超宽带双圆极化MED天线。该天线取得了84.5%的阻抗带宽(0.6～1.53GHz),81.8%的轴比带宽(0.63～1.53GHz),带宽内8d Bic的平均增益和基本对称稳定的单向方向图。2.提出基于小圆弧地的圆极化单片单馈环形天线的改良方法。首先,完善了圆极化单片单馈环形天线的频域辐射模型,指出非平衡馈电会引起接地板表面电流分布的不对称性,导致环形天线的圆极化特性受接地板尺寸的影响。因此接地板应该作为次要辐射部件来设计。其次,提出基于小圆弧地的圆极化单片单馈环形天线。研究表明,依据不同的设计目标来选择不同的小圆弧地角度,可分别用于扩展环形天线的带宽和改善其倾斜的方向图。最后,将小圆弧地应用于圆极化单片单馈指数渐变环形天线,实现了分别改良了带宽和方向图的小圆弧地单片单馈指数渐变环形天线,验证了小圆弧地的实用性。3.提出宽带宽波束双圆极化和单圆极化贴片天线。基于缝隙耦合微带环馈电的圆极化贴片天线,提出了一系列改进的方法,包括采用不规则的多缝隙耦合实现宽的轴比带宽和轴比波束;采用具有多段匹配线的微带环馈线实现宽的阻抗带宽;微带环馈线末端采用耦合小贴片取代有耗电阻,在不损失增益的情况下改善阻抗匹配;采用天线周围加金属边框来提高组阵时阵元之间的隔离度;采用耦合缝隙正下方加金属背腔来提高前后比;采用寄生贴片、厚的空气介质层等辅助手段进一步地扩展带宽。通过上述方法,双圆极化贴片天线实现了24%的阻抗带宽和16%的轴比带宽。其3d B波束宽度为60°,3d B轴比波束宽度为100°。单圆极化贴片天线实现了29.7%的阻抗带宽和21.6%的轴比带宽。其3d B波束宽度为70°,3d B轴比波束宽度为90°。此外,它们还具有优良的整体性能和简单的馈电结构,非常适用于组阵。4.提出高增益和赋形宽带圆极化贴片天线阵列。基于2×5宽带宽波束单圆极化贴片天线阵列,分析了不同阵列排布方式对阵列整体性能的影响,指出对于具有宽的轴比带宽和轴比波束的单元,0°,90°顺序旋转阵列是最优的选择。根据远距离通信组网的需求,实现了高增益宽带圆极化贴片天线阵列,取得了17.1～18.3d Bic(3.4～4GHz)的增益。其3d B波束宽度可覆盖水平面40°和俯仰面14°,并且波束覆盖范围内具有较纯的圆极化特性。其次,研究了阵列中互耦对阵元方向图的影响,指出设计阵元数少的赋形阵列有必要选取各个阵元在阵列环境中的方向图来进行综合以提高波束赋形精度,而且设计宽带赋形阵列时还需要考虑其在带宽内不同频点的差异性。针对空地一体化通信组网的需求,采用遗传算法结合仿真软件HFSS进行多目标的方向图综合,实现了赋形宽带圆极化贴片天线阵列。该阵列取得了增益为14～15.8d Bic(3.4～4GHz)的赋形波束,可覆盖俯仰面-10°～+90°,并且-10°～+45°范围内轴比小于3d B。