1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上超寬帶平面單極子天線的分析和設(shè)計(jì)孫永志 李 庭 王偉光 陳秋林 王一笑 趙 旭（中國航天科工集團(tuán)8511研究所，南京 ）摘 要：本文研究了一種應(yīng)用于超寬頻帶的平面單極子天線。用傳輸線理論的等效電路方法分析了展寬平面單極天線帶寬的措施，即添加切角和短路枝節(jié)。設(shè)計(jì)出了一種實(shí)用的超寬頻帶平面單極子天線，并對該天線進(jìn)行了數(shù)值仿真。計(jì)算的電壓駐波比和輻射方向圖與實(shí)測結(jié)果吻合良好。關(guān)鍵詞：平面單極子天線，傳輸線理論，超寬帶Analysis and Design of the Ultra Wide Band Planar Monopole Antenna Sun Yongzhi L

2、i Ting Wang Weiguang Chen Qiulin Wang Yixiao Zhao Xu(No.8511 Research Institute of China Aerospace Science Industry Corp of China, Nanjing )Abstract: In this paper, coordinate transformation method was used to analyze two-dimensional cylindrical electromagnetic invisibility cloaking.And the electrom

3、agnetic dispersion equation of electromagnetic invisibility cloaking was given.The calculation results show that two-dimensional cylindrical electromagnetic invisibility cloaking.has good scattering Characteristics for the electromagnetic wave. Keywords: Planar monopole antennas; Transmission line t

4、heory;Ultra Wide Band專心-專注-專業(yè)1 引言超寬帶（Ultra Wide Band，縮寫為UWB）是一種利用納秒至微微秒級的非正弦窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)的無載波通信技術(shù)，與傳統(tǒng)通訊系統(tǒng)相比，所占用的頻帶寬度大大變寬。FCC（美國聯(lián)邦通信委員會）對UWB系統(tǒng)給出明確規(guī)范，規(guī)定3.110.6GHz為UWB系統(tǒng)占用頻帶，帶內(nèi)信號輻射功率密度低于-41.3dBm/MHz，并且要求帶內(nèi)反射系數(shù)S11小于-10dB1。UWB系統(tǒng)不僅要求天線具有全向輻射特性，還要求天線在整個(gè)頻帶內(nèi)有良好的阻抗匹配特性和較高的輻射效率，并且還要考慮移動通訊設(shè)備對天線尺寸的要求。平面單極子天線及其變形，由于結(jié)構(gòu)簡

5、單、制造成本低和頻帶寬等特性，已經(jīng)成為近來UWB天線設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)。本文主要討論以平面單極子天線為基礎(chǔ)的UWB天線的分析與設(shè)計(jì)。定性分析了平面單極子天線的工作原理，討論展寬天線阻抗帶寬的措施。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了一種實(shí)用的平面單極子天線，測量的駐波比和方向圖與仿真結(jié)果非常吻合。2 平面單極子天線的基本原理眾所周知，直立細(xì)線單極子天線的阻抗帶寬很窄。現(xiàn)在有很多文獻(xiàn)都在探索和研究展寬天線阻抗帶寬的方法和技術(shù)，如在矩形平面單極子上添加切角和短路支節(jié)等2，如圖1所示。定性分析與展寬天線阻抗帶寬有關(guān)的參數(shù)及其作用，平面單極子天線的電流主要集中在天線的底部和左右邊緣兩側(cè)，并且水平方向上的電流密度遠(yuǎn)大于垂直

6、方向上的電流密度3。因此，我們不妨切除天線上幾乎沒有電流分布的區(qū)域，用U形或半圓形等來等效整個(gè)平面單極子。 基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2007AA7）；圖1 帶切角和短路支節(jié)平面單極子天線的結(jié)構(gòu)從傳輸線理論講，切角可以等效為多段水平傳輸線，它們的特性阻抗隨離開饋電的距離增加而增大。此時(shí)，天線就可看成是不同特性阻抗傳輸線的級聯(lián)，根據(jù)傳輸線的寬帶匹配思想，經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計(jì)切角可以展寬平面單極天線的阻抗頻帶。在單極子的一側(cè)（如右側(cè)）添加短路支節(jié)，此時(shí)對應(yīng)等效電路模型，該側(cè)的負(fù)載阻抗為近似為0。因此，短路支節(jié)構(gòu)成另一諧振回路，如果設(shè)計(jì)合理，即可產(chǎn)生新的諧振頻點(diǎn)，從而展寬天線帶寬。3 UWB平面單極

7、子天線的仿真和測試結(jié)果及其分析依據(jù)等效電路原理的設(shè)計(jì)思路，考慮到制作的可實(shí)現(xiàn)性，經(jīng)過多次分析和仿真發(fā)現(xiàn)只添加切角不可能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，最后，增加電路枝節(jié)后，我們得到滿足設(shè)計(jì)要求的模型天線尺寸如下：地板尺寸為92mm×76mm，平面單極子高度h=38mm，寬度w=54mm，饋電間隙hgap=1mm，饋電平面寬度wgap=3mm，短路枝節(jié)寬度ws=1mm，切角角度=90。計(jì)算和測量電壓駐波如圖2所示。圖2 電壓駐波比測量與仿真結(jié)果比較由圖2可知在3.1-10.6GHz頻帶內(nèi)，UWB天線滿足VSWR<1.925即是滿足S11<-10dB。平面單極天線結(jié)構(gòu)對稱，H平面輻射方向圖是全

8、向的。方向圖在UWB3.1-10.6GHz帶寬范圍內(nèi)H平面是全向性的。E面方向圖隨著頻率的升高，發(fā)生了畸變，這是由于測量儀器動態(tài)范圍不夠以及隨著頻率升高連接被測天線、參考天線與收發(fā)機(jī)的電纜衰減大大增加的緣故。仿真與測量方向圖如圖3所示。E面3.5GHz E面4.5GHE面5.5GHz E面6.5GHzH面3.5GHz H面4.5GHz H面5.5GHz H面6.5GHz圖3 E面和H面方向圖的仿真與測量結(jié)果比較4 結(jié)論平面單極子天線是UWB天線的研究熱點(diǎn)之一。本文研究了一種變形的矩形平面單極子天線，通過添加切角和短路枝節(jié)可以大大展寬其阻抗帶寬，能夠滿足UWB天線的要求。根據(jù)傳輸線等效電路模型，

9、可以定性解釋為增加切角和短路枝節(jié)展寬這種單極子天線的帶寬。設(shè)計(jì)的UWB平面單極子天線滿足UWB天線的設(shè)計(jì)指標(biāo)，仿真和實(shí)際測試的駐波比與輻射方向圖結(jié)果吻合良好。參 考 文 獻(xiàn)1林立峰. 超寬帶無線通信技術(shù). 中國數(shù)據(jù)通信，2005。2鄒衛(wèi)霞，周正等. 超寬帶無線通信技. 電子質(zhì)量，2004。3郭安波，陳惠民. 平面單極天線的設(shè)計(jì). 無線電工程，2005。4Daniel Valderas, Jon Legarda, and Iñigo Gutiérrez et, Design of UWB Folded-Plate Monopole Antennas Based on TLM,

10、 IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2006.作者簡介：孫永志，男，博士，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⒉ê撩撞夹g(shù)研究、天線設(shè)計(jì)、異向介質(zhì)研究等。雙圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)薛 欣 張福順 馮昕罡 程 喆 寧舒曼(西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 ) 摘 要：本文研究了小型化雙圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)方法。本文重點(diǎn)討論了實(shí)現(xiàn)雙圓極化、寬波束寬度微帶疊層天線小型化的實(shí)現(xiàn)方法，并利用Ansoft HFSS 軟件進(jìn)行仿真分析，在此基礎(chǔ)上研制了樣件，并對其電性能進(jìn)行了測量，測量結(jié)果表明，此微帶天線具有圓極化、寬波束寬度和小型化的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞

11、：圓極化，寬波束寬度，小型化，微帶天線Design of Dual-Circularly-Polarized microstrip Antenna Xue Xin Zhang Fushun Feng Xingang Chen Zhe Ning Shuman(National Laboratory of Antenna and Microwave Technology, Xidian University, Xian Shanxi, ,China)Abstract: In this paper, a compact dual circular polarization microstrip pa

12、tch antenna is studied, The method to achieve stacked microstrip patch antenna with wide beamwidth, dual circular polarization and compact size has been discussed, it is simulated and optimized by the Ansoft HFSS software, and a prototype has been fabricated and tested. The measured results shows th

13、at the microstrip antenna proposed in this paper has the characteristic of wide beameidth, circular polarization, and compact size.Keywords: small size; circular polarzation; wide beamwidth; microstrip patch antenna1 引言微帶天線的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、低剖面，其主要缺點(diǎn)是帶寬很窄。一般工程中要使微帶圓極化天線兼顧雙圓極化、寬波束寬度和小型化的特點(diǎn)具有一定難度，本文在此工程背景上進(jìn)

14、行研究，思路是使天線能同時(shí)工作在兩個(gè)離散的頻率點(diǎn)，產(chǎn)生不同旋向的圓極化特性 1。一般由于圓極化天線帶寬很窄，加工時(shí)，尺寸稍有誤差，便使得圓極化特性變差。本文采用雙饋點(diǎn)饋電，增加天線的對稱結(jié)構(gòu)，改善了圓極化特性，最終利用經(jīng)驗(yàn)公式和仿真軟件，設(shè)計(jì)了工作在兩個(gè)不同頻率點(diǎn)，不同旋向的圓極化天線，并采用高介電常數(shù)的介質(zhì)板來減小天線尺寸，和展寬波束寬度2，3。2 微帶天線的設(shè)計(jì)天線的設(shè)計(jì)要求為天線要求安裝在邊長為48mm，四周倒圓角的方形底座上，分別工作在L波段和S波段，其電壓駐波比VSWR2，軸比Axial Ratio2dB。工作頻率L波段時(shí)產(chǎn)生左旋圓極化波，工作頻率S波段時(shí)產(chǎn)生右旋圓極化波。本文的采用

15、多層重疊的微帶天線來實(shí)現(xiàn)雙頻雙圓極化特性，這樣的優(yōu)點(diǎn)是便于工程實(shí)現(xiàn)和加工。為了減小天線的尺寸和展寬輻射波束寬度，采用介電常數(shù)為9.8的陶瓷介質(zhì)，厚度為2mm，工作頻率在S波段的在上層，工作頻率在L波段的在下層。這樣高頻天線工作的時(shí)候下層的天線充當(dāng)了地板；當(dāng)?shù)皖l天線工作時(shí)，高頻天線因?yàn)槌叽缧。矞p小了對低頻天線的影響。同時(shí)改變天線的形狀，以改善波束寬度范圍內(nèi)的圓極化特性。如圖1所示。圓極化方式采用雙饋電點(diǎn)，兩個(gè)饋電端口所輻射的和模，在貼片輻射方向形成兩個(gè)正交分量，相差/2，選擇適當(dāng)?shù)募铑l率，可以使兩個(gè)模式同時(shí)被激勵，從而得到一個(gè)圓極化輻射場，選擇適當(dāng)?shù)南嗖睿沟蒙蠈虞椛溆倚龍A極化場，下層輻射左

16、旋圓極化場。(a) 俯視圖 (b) 側(cè)視圖圖1 天線結(jié)構(gòu)2.1 貼片的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)貼片時(shí),先根據(jù)正方形貼片天線的經(jīng)典公式設(shè)計(jì)天線單元其初邊長L。 （1） （2）根據(jù)式（1）式（2）計(jì)算出天線的初始尺寸，采用高介電常數(shù)介質(zhì)，以減小天線尺寸和展寬波束寬度，增加天線的對稱結(jié)構(gòu)，以改善圓極化特性，再利用仿真軟件，優(yōu)化天線的尺寸4，5。2.2 饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)采用雙饋點(diǎn)饋電，如圖2所示，高頻功分器和低頻功分器分開工作，其功分器部分采用Wilkinson功分器，移相器采用普通微帶傳輸線。利用微帶傳輸線移相的特性，使功分器終端得到兩個(gè)等幅，相位相差/2的電場。圖2 功分器結(jié)構(gòu)3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.1 仿真

17、分析對圖1所示天線結(jié)構(gòu)和圖2所示功分器，利用Ansoft HFSS軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體尺寸如下：（1）天線大小 Ls1= 26.8mm，Ls2=18mm；（2）介質(zhì)板介電常數(shù)=9.8；（3）介質(zhì)板尺寸Lm=48mm，厚度H2=H1=2mm。利用以上尺寸，建立模型仿真結(jié)果如圖3-圖4所示，圖3為天線的電壓駐波比系數(shù)（VSWR），圖4為天線輻射方向圖，其中0度方向?yàn)樘炀€輻射面法線方向。(a) f0=1.616GHz(b)f0=2.491GHz圖3 天線電壓駐波比系數(shù)(a)f0=1.616GHz(b)f0=2.491GHz圖4 天線仿真方向圖由圖3、圖4可以看出天線的兩個(gè)工作頻率VSWR2、最

18、大輻射方向軸比Axial Ratio2dB，=1.616GHz時(shí)3dB波瓣寬度為115，=2.491GHz時(shí)3dB波瓣寬度為120。3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果本文根據(jù)天線的設(shè)計(jì)和仿真尺寸，加工出小型化微帶天線的實(shí)物樣件，樣件尺寸為48mm×48mm，并對樣件進(jìn)行了電測量，圖5為雙頻雙圓極化微帶天線的實(shí)物樣件和使用HP8753D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量天線的電壓駐波系數(shù)（VSWR）的測試結(jié)果。(a) 天線樣件(b) f0=1.616GHz(c) f0=2.491GHz圖5 實(shí)測天線電壓駐波比系數(shù)由圖5可以看出天線在工作頻率1.616GHz時(shí)，其電壓駐波比為1.3。工作頻率為2.491GHz時(shí)，其電壓駐

19、波比為1.7，滿足了設(shè)計(jì)要求在微波暗室，遠(yuǎn)區(qū)條件下，采用自制的天線遠(yuǎn)場自動測量系統(tǒng)在f0=1.616GHz和f0=2.491GHz時(shí)，對該天線的輻射方向圖進(jìn)行了實(shí)測，測試結(jié)果如圖6和表1所示，其中0度方向?yàn)樘炀€輻射面法線方向6。(a) f0=1.616GHz(b) f0=2.491GHz圖6 天線實(shí)測方向圖表1 天線3dB軸比波束寬度數(shù)據(jù)表天線工作頻率1.616GHz2.491GHz仿真HPBW(AR3dB)140150實(shí)測HPBW(AR3dB)124145圖6的電測試結(jié)果和表1表明，天線在兩個(gè)工作頻率點(diǎn)，在很寬的波束寬度范圍內(nèi)有很好的圓極化特性。4 結(jié)論本本文研究了小型化雙頻雙圓極化微帶天線

20、的設(shè)計(jì)方法，首先通過采用疊層天線的設(shè)計(jì)思路使天線工作在兩個(gè)離散的頻率點(diǎn)產(chǎn)生不同極化的圓極化波，并通過使用高介電常數(shù)減少天線尺寸和展寬波束寬度，增加天線對稱結(jié)構(gòu)改善圓極化特性，然后根據(jù)Ansoft HFSS軟件仿真優(yōu)化出的結(jié)構(gòu)尺寸，加工了天線樣件，樣件尺寸為48mm×48mm，其電測的結(jié)果也滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，該天線已經(jīng)用于工程實(shí)際，由很高的實(shí)用推廣價(jià)值。參 考 文 獻(xiàn)1丁克乾. 雙頻圓極化微帶天線. 遙測遙控, 2004.92劉玉杰. 小型圓極化收發(fā)天線設(shè)計(jì). 遙測遙控,2004.93GPS antenna design with slotted ground plane, mic

21、rowave and optical technology letters, 20084鐘順時(shí). 微帶天線理論與應(yīng)用. 西安電子科技大學(xué)出版社, 1991 5美David M.Pozar. 微波工程. 電子工業(yè)出版社, 2007.6張福順, 張進(jìn)民. 天線測量M. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1995.作者簡介：薛欣，男，碩士，主要研究領(lǐng)域腔體濾波器、超寬帶微帶天線等；張福順，男，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究天線理論工程與工程及測量，發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，其中30余篇被EI檢索。C波段寬帶高增益微帶天線的研究劉 劍1 于 映2(南京郵電大學(xué)通信工程與信息學(xué)院，江蘇 南京 )1;(南京郵電大學(xué)通

22、信工程與信息學(xué)院，江蘇 南京 )2摘 要：介紹了一種C波段的新型寬帶高增益微帶天線設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)寬帶高增益，采用了一種微帶貼片中心短路以及共面波導(dǎo)饋電的長方形環(huán)天線。用HFSS軟件仿真計(jì)算，結(jié)果表明，該天線結(jié)構(gòu)具有良好的反射損耗和寬帶高增益特性。關(guān)鍵字：高增益天線；寬帶天線；微帶天線；短路長方形環(huán)貼片；仿真Study on a C band wideband high-gain microstrip antenna(College of Telecommunications and Information Engineering, Nanjing University of Posts &am

23、p; Telecommunications, Nanjing ) 1；(College of Telecommunications and Information Engineering, Nanjing University of Posts & Telecommunications, Nanjing ) 2Abstract: In this paper, a design method of a novel C band wideband high-gain microstrip antenna was presented. To achieve a wideband and hi

24、gh-gain, the shorted rectangle patch and a CPW-Fed technique were used. The performance of the antenna was calculated by using the simulation software of HFSS. The results show this kind of antenna has excellent characteristics of the return loss, wideband and high-gain.Key words: high-gain antenna;

25、 wideband antenna; microstrip antenna; shorted rectangle patch; simulation1 引言近年來，微帶天線以其低姿態(tài)，低成本等優(yōu)點(diǎn)在民用和軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，然而傳統(tǒng)的微帶天線也具有一些不可忽視的缺點(diǎn)，如帶寬窄，增益比較低1。文獻(xiàn)2,3,4提出了解決微帶天線帶寬窄的一些方法，例如通過使用寄生單元貼片，使天線帶寬打到25%；采用L探針饋電方式，但結(jié)構(gòu)不牢固。而且增益都沒有很大改善。文獻(xiàn)5,6提出了一些解決天線增益低的一些方法，但是天線帶寬卻非常窄。目前對于單層介質(zhì)板的微帶天線，能同時(shí)提高微帶天線帶寬和增益的方法卻不多見。為了提高

26、天線增益，文獻(xiàn)7在圓形環(huán)天線的中心環(huán)處通過一個(gè)環(huán)形金屬薄壁短接到接地板，在工作頻率天線增益達(dá)到了10.67dBi，文獻(xiàn)8通過在共面波導(dǎo)中心導(dǎo)體加一個(gè)金屬柱與貼片相連的結(jié)構(gòu)，提高了天線的帶寬和增益。文獻(xiàn)9提出了一種并聯(lián)饋電的方法以提高天線增益。本文在文獻(xiàn)7,8,9的基礎(chǔ)提出了一種寬帶高增益的矩形短路環(huán)天線。2 天線結(jié)構(gòu)本文涉及的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示：天線介質(zhì)板用相對介電常數(shù)2.65的介質(zhì)材料，高1.5mm，輻射貼片為長方形，中間通過一個(gè)正方形環(huán)形金屬薄壁與接地板短路。饋線為共面波導(dǎo)，饋線1為50歐姆，饋線2為100歐姆，在饋線2末端，有金屬柱連接共面波導(dǎo)中間導(dǎo)體與貼片相連接。通過調(diào)節(jié)金屬柱與貼片的

27、相對位置，以及饋線SW和SL的尺寸，實(shí)線天線輸入端口的阻抗匹配特性。（a）三維立體圖（b）透視圖圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖3 仿真結(jié)果及分析本設(shè)計(jì)使用ANSOFT公司的HFSS對天線進(jìn)行仿真和優(yōu)化，最終確定了比較理想的天線結(jié)構(gòu)：長方形輻射單元外環(huán)邊長為W=26mm, L=60mm，中心短路通孔長度為a=13mm，100歐姆饋線終端的中間導(dǎo)體尺寸為：SW=3mm, SL=2.5mm。該天線的反射損耗的仿真結(jié)果與理論結(jié)果如圖2所示：圖2 天線的反射損耗特性圖3給出了天線在4.6GHz與4.9GHz的E面和H面的遠(yuǎn)場方向圖的測試結(jié)果。(a)(b)(c)(d)圖3 天線E面和H面方向性圖圖4給出了天線從4G

28、Hz到5.6GHz的增益變化曲線。圖4 天線增益變化曲線4 結(jié)論本文設(shè)計(jì)了一種寬帶高增益微帶天線，由于該結(jié)構(gòu)采用了中心短路的方形環(huán)，提高了天線的增益。通過在共面波導(dǎo)線分支線中間導(dǎo)體用金屬柱與貼片相連的結(jié)構(gòu)，增加了天線帶寬，同時(shí)提高了天線增益。仿真和測試值相對帶寬均大于30%帶寬。天線增益測試結(jié)果最大值為11.6dBi，仿真值最大為12.1dBi。S11的仿真與測試曲線出現(xiàn)的頻偏現(xiàn)象是由于加工精度的限制導(dǎo)致，金屬柱的加工精度與焊接水平直接影響到S11的通帶位置。由于該天線良好的反射特性和較高的增益，有望在陣列天線中使用。參 考 文 獻(xiàn)1J. R. James, and P. S. Hall, “

29、Handbook of Microstrip Antennas,” Peter Peregrinus, London, UK, 1989 (Chapter 3).2C. Wood, “Improved bandwidth of microstrip antennas using parasitic elements”, IEE proceedings microwaves, antennas and propagation, vol. 127, pp.231 234, 1980.3R. B. Waterhouse, “Design of probe-fed stacked patches,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-47, pp.1780 1784, 1999.4C. L. Mak, K. M. Luk, and K. F. Lee, “Experimental study of a microstrip patch antenna with an L-shaped pro