一种改进了阻抗带宽和低仰角增益的双频圆极化微带天线的设计.docx

一种改进了阻抗带宽和低仰角增益的双频圆极化微带天线的设计史雪莹鄢洋洪左少丽(西安电子科技大学天线和电磁散射研究所，西安710071)摘要：本文设计了一款可用于卫星通信的圆极化微带天线，采用双层结构实现了双频(1590MHz,2491MHZ)特性。和用探针直接馈电相比，本文中的天线馈电方式为圆形贴片耦合馈电。仿真结果显示圆极化特性并获得比较好的驻波比和较高的低仰角增益。对于低频段(1590MHZ),阻抗带宽为130MHz,相对带宽为8.2%o对于高频段(2491MHz),阻抗带宽为390MHz,相对带宽达到了15.7%。在低仰角为10。时获得的增益分别为-057dB和1.49dB,和用探针直接馈电相比，低仰角增益改善了IdB和0.6dB关键词：层叠微带天线，阻抗带宽，低仰角增益，耦合馈电ACoupling-FedCircularlyPolarisedMicrostripAntennaWithWiderImpedanceBandwidthAndHigherLow-ElevationGainShiXueyingYanZehongZuoShaoli(InstituteofAntennaandEMscattering,XidianUniversityofChina,Xi,an710071)Abstract:Anovelcoupling-fedcircularlypolarizedmicrostripantennawithwiderimpedancebandwidthandhighergainatlow-elevationisproposedinthispaper.Comparedwiththetruncated-cornerssquarepatchantennadirectlyfedbyaprobe,theproposedantennaisfedthroughcouplingofacircularpatchonthetopoftheprobe.ThesimulatedresultsverifythecircularpolarizationandshowthatgoodVSWRandhigherlow-elevationgainhavebeenobtained.Inthelowerband,theobtainedimpedancebandwidthis130MHz,orabout8.2%withrespectto1590MHz.Intheupperband,theimpedancebandwidthis390MHz,orabout15.7%referencedto2491MHz.Thegainvaluesat10°lowelevationaretobe-0.57dBand1.49dBattwooperationfrequencies,whichareemhantedIdBand0.6dBcomparedwithprobedirectlyfeeding.Keywords:Stackedmicrostripantenna;Impedancebandwidth;Low-elevationgain;Coupling-fed1引言微带天线具有体积小，重量轻，低剖面等优点，在过去的几十年里圆极化微带天线在卫星通信和移动通信领域得到了广泛的关注和应用L随着全球定位系统（GPS）技术的迅速发展，卫星无线导航系统需要一个高性能的导航卫星信号的接收机8"。接收天线的设计是整个系统设计的最重要的部分之一，因此对这一天线的性能提出了较高的要求。在获得满足要求的圆极化特性下要尽可能的展宽其阻抗带宽，提高低仰角增益。单点馈电的切角方形贴片天线的建模非常简单，并且易于制作。因此，得到了广泛的应用。然而，这种天线的阻抗带宽窄，并且低仰角增益低瓜九利用多点馈电的微带天线可以获得较好的圆极化特性和较宽的阻抗带宽，但是它需要加入馈电网络7%本文提出了一种利用圆形贴片耦合馈电的切角方形贴片微带天线，改善了阻抗带宽和低仰角增益，获得了较好的圆极化轴比特性0I叫2天线结构图1给出了天线的几何结构。上下贴片的长度分别是Ll和L2o上下两层介质的介电常数0=7,厚度为5mmo由于存在较多的设计变量，通过优化过程很难获得准确的设计参量值。首先我们可以利用腔模理论计算出该天线的初始尺寸。最后的结果通过利用基于有限元方法的电磁仿真软件HFSS11.0获得。上下介质层的长度分别为54mm和60mmo通过调整贴片长度Ll和L2,使上层贴片谐振在2491MHz,下层贴片谐振在1590MHzo为了激励圆极化波，方形贴片分别被切去了两个角，这样场就被分离成两个相互正交的简并模式。上下切角的边长分别为ml和m2。通过调整ml和m2的长度，使得两个垂直的模式产生相同的幅度以及90°的相位差。这样就得到了圆极化。用来馈电的探针设置在距天线中心d=7.4mm的位置，这个探针并没有直接和上层贴片相连，而是在探针顶端加载一个圆形贴片形成和上层贴片的电合馈电。圆形贴片的半径s=10mm,距离上层贴片P=Immo图1天线的几何结构在仿真环境下，我们优化了两层贴片的长度和切角的边长。最后，我们获得了最优的天线设计参量：Ll=20.4mm,L2=28.6mm,ml=5.6mm,m2=4.2mm3结果分析文中通过对该天线的研究和分析，讨论了圆形贴片的效应。图2给出了圆形贴片在不同的位置处对驻波的影响。当圆形贴片加载在上层介质中间时，获得了很好的阻抗带宽。对于低频段，获得的阻抗带宽为130MHz,相对带宽为8.2%。对于高频段,阻抗带宽为390MHz,相对带宽达到了15.7%o图3给出了采用探针直接馈电和耦合馈电的驻波特性。我们发现耦合馈电明显改善了天线的阻抗带宽。获得较高的低仰角增益也是我们的天线设计目标。图4和图5分别给出了两个谐振频率下探针耦合馈电和直接馈电的增益。很明显我们在低仰角为IO0时获得的增益分别为-0.57dB和1.49dB,和用探针直接馈电相比,低仰角增益改善了IdB和0.6dB。图6和图7分别给出了低频段和高频段的轴比特性。由图可以看出低频段和高频段的圆极化带宽分别为30MHz和60MHzO图8和图9分别给出了在1590MHZ和2491MHZ下主极化和交叉极化的方向图。图2一圆形贴片放置在上层介质内部-圆形贴片放置在下层介质内部圆形贴片放置在上层介质上部图3-耦合馈电的驻波特性一-直接馈电的驻波特性图4f=l590MHz-耦合馈电的增益-一直接馈电的增益图5f=2491MHz-耦合馈电的增益-直接馈电的增益图6轴比（f=1590MHz）图7轴比（2491MHZ）图8主极化和交叉极化（1590MHZ）图9主极化和交叉极化（2491MHZ）4结论本文介绍了一种层叠的耦合馈电的双频带圆极化微带天线。和用探针直接馈电相比，圆形贴片耦合馈电改善了阻抗带宽和低仰角增益。该天线在两个工作频率下同时得到了较好的圆极化辐射特性。参考文献1Chis-MingSuandKin-LuWong,Adual-bandGPSmicrostripantenna,MicrowaveandOpticalTechnologyLetters.,Vol.33,No.4,May20022Ying-fengZhang,ShanweiLv,XIAN-LiangLuo,Adual-frequencymicrostripantennawithwiderbeamandhighergainatlow-angle,IEEEInternationalSymposiumonMicrowaveAntennaPropagationandEMCTechnologiesForWirelessCommunications.20073S.-L.S.Yang,K.-F.Lee,A.A.Kishk,andK.M.Luk,Designandstudyofwidebandsinglefeedcircularlypolarizedmicrostripantennas.ProgressInElectromagneticResearch,PIER80,4561,20084M.DavidovitzandY.T.Lo,Rigorousanalysisofacircularpatchantennaexcitedbyamicrostriptransmissionline,IEEETrans,AntennasPropagat.,vol.37,no.8,Aug.19895Dr.MaxAmman,DesignofRectangularMicrostripPatchAntennasforthe2.4GHzBand,AppliedMicrowaveCTireless,pp.24-34,Nov19976A.Pirhadi,M.Hakkak,andF.Keshmiri,Usingelectromagneticbandgapsupertratetoenhancethebandwidthofprobe-fedmicrostipantenna,ProgressInElectromagneticResearch,PIER61,215-230,20067T.Chakravarty,S.M.Roy,S.K.Sanyal,andA.De,AnovelmicrostrippatchantennawithlargeimpedancebandwidthinVHF/UHFrang.ProgressInElectromagneticResearch,PIER54,8393,20058M.A.S.AlkanhalandA.F.Sheta,Anoveldual-bandreconfigurablesquare-ringmicrostripantenna,ProgressInElectromagneticResearch,PIER70,337-349,20079Xiang-feiPeng,Shun-shiZhong,Sai-QingXu,andQiangWu,Compactdual-bandGPSmicrostripantenna,MicrowaveandOpticalTechnologyLetters/Vol,44,No.1,Jan5200510Zhou.Y,Chen.C.-C.,Volakis.J.L,Dualbandproximity-fedstackedpatchantennafortribandGPSapplications,AntennasandPropagation,IEEETransactionson.,vol.55,Issue.1,pp.220223,Jan.2007作者简介：史雪莹，女，硕士研究生，主要研究方向为卫星通信天线。鄢泽洪，男，教授、博士生导师，主要研究领域为天线伺服控制、卫星通信天线等。左少丽，女，硕士研究生，主要研究方向为可重构天线，微带天线等。-种新型超宽带平面单极微带天线的设计李存龙王海花史小卫徐乐李文涛(西安电子科技大学天线和微波国家重点实验室，陕西西安710071)摘要：本文提出了一种新型超宽带平面单极子微带天线，以平面正方形单极子天线为原型，通过改变辐射贴片和地板的形状实现对原有天线性能的优化，并通过在贴片上开一个U形槽来实现陷波功能。通过仿真和实验表明，该天线在2.3-13.5GHz频带内反射系数均小于TodB,在5-6GHz频带范围内具有陷波特性,从而抑制超宽带系统和WLAN系统的干扰。关键词：超宽带，单极子，微带天线，陷波特性DesignofANovelUltra-widebandPlanarMonopoleMicrostripAntenna1.icunlongWanghaihuaShixiaoweiXuIeLiwentao(NationalKeyLaboratoryofAntennasandMicrowaveTechnology,XidianUniversityofChina,Xi,an710071)Abstract:MiniaturizedUltra-widebandPlanarMonopoleMicrostripAntennaisdesigned.Theantennaisbasedontheplanarrectangleplanarmonopoleantenna.Byalteringthefigureoftheradiationpatchandtheground,thecharacteristicoftheantennacanbeimproved,andaU-shapedslotiscutintheradiationpatchtoobtaintheband-notchfunction.ExperimentalresultsshowthattheSllintheworkbandfrom2.3to13.5GHzlessthan-IOdB.Theantennahasaband-notchedfunctioninthefrequencyrangeof5-6GHz.Thus,thepotentialinterferencebetweenultra-widebandsystemsandWLANsystemcanbeinhibited.Keywords:ultrawideband(UWB);planarmonopole;microstripantenna;band-notchedfunction1引言超宽带(UWB)技术作为一种无线通信技术，在高分辨率超宽带雷达、探底雷达、精确定位系统等方面已经有了广泛的应用。最近，该技术在短距离室内高速无线通信方面的应用也受到了人们的关注。按照FCC规定，将3.110.6GHz之间7.5GHz的频段分配给超宽带无限通信业务使用。UWB天线的设计和研究是超宽带的关键技术之一。超宽带天线是电子信息战中电子设备的关键部件，同时在脉冲雷达等时域系统中也得到了广泛的应用。随着高速电子集成电路的发展，为了适应集成电路小型化集成化的需求，超宽带平面天线的研究和应用得到了广泛的关注。无限局域网系统(WLAN)的工作带宽为5.15-5.825GHZ频带，其包含于超宽带(UWB)系统之中，为了抑制UWB系统对WLAN系统的干扰，通常在UWB系统中引入滤除窄带的带阻滤波器，但是这势必会增加系统的复杂度，因此设计具有陷波特性的UWB天线具有实际意义。本文提出了一种新型超宽带平面单极子微带天线，以矩形平面单极子天线为原型，通过改变辐射贴片和地板的形状来实现对原有天线性能的优化，并通过在贴片上开一个U形槽来实现陷波功能。2天线的设计本天线采用不对称梯形贴片和凹形地板结构，并在天线贴片上开形槽来实现具有陷波功能的单极子超宽带天线，结构如图1所示。天线制作在相对介电常数£,=2.65,厚度代Imm损耗角正切tanO.OOl的聚四氟乙烯基板上，其尺寸为WgXLg,采用50微带线馈电，微带线宽度叫由公式计算%之.7腿，几何尺寸示于表I0本文利用基于有限元法的仿真软件AnsoftHFSS对天线模型进行仿真。通过改变贴片和地板形状可以进一步减小天线的尺寸和展宽天线的阻抗带宽。(a)正面(b)背面图1天线结构图表1天线结果尺寸WgLgWLWlLi40mm50mm18mm19mIOmm2mmW2L2W3L3L4W52tnm3.5mIIlImm10.5m25mm21mL5WsabWfLf4.5mm0.5mm9mm7mm2.7mm21.5mm对于单X!带天线,若采J用正方形辐射贴片，矩形地板，则贴片大小和低点谐振频率关系为：(1)其中L为正方形贴片边长，g为贴片到地板的间隙，力为介质厚度。当低频/=3.IGHz,间隙Flmrn,介质厚度=lmm时，计算得出正方形贴片边长Z=2L2nm。图2表明阶梯形贴片结构天线和阶梯形长宽相当的矩形贴片结构天线相比，贴片采用梯形结构能大幅度提高中间频段回波损耗特性，带宽得到了提高。图2阶梯状贴片和矩形贴片结构天线Sll比较图3表明凹形地板结构天线和矩形地板结构天线相比，贴片采用梯形结构能大幅度提高高频段回波损耗特性，带宽由原来2.4-9GHz提高到2.4-12.8GHz.图3凹形地板和矩形地板结构天线SH比较并且采用梯形贴片结构和凹形地板结构所得的贴片和式计算出来的正方形贴片相比较贴片面积减少22.2%,减小了天线尺寸。为了实现陷波特性而引入半波长的谐振结构，在贴片上开U形槽长度约为需要抑制频率对应波长的1/2波长时，在该点附近天线阻抗失配，驻波比显著增加。U形槽的关系可用式(2)表示；(2)其中/.为陷波中心频率，C为光速，4为U形槽的总长，j为相对有效介电常数。通过式可求出U形槽的初始尺寸，然后仿真优化。在通带内3G和IOG处，电流主要集中在导带和馈电附近，再阻带5.3G处，电流主要集中在U形槽附近，导带上电流很少，天线在该点附近产生较大衰减和阻抗失配，形成陷波，其电流分布如图4所示。(a)f=3GHz(b)f=5.3G(c)f=8GHz图4不同频率的的电流分布图5U形槽长度对SIl频率特性的影响由式可知U形槽的总长4(L,=a+2b)和陷波有着密切的联系，图5表明随着L,减小，陷波频段向高频端移动。3实验结果和分析带陷波结构的UwB天线实物如图6所示。采用AgilentN5230A矢量网络分析仪对该天线实物回波损耗SIl进行测量，图6给出了不带陷波结构超宽带天线和陷波结构超宽带天线仿真值和测量值的对比。普通不带陷波结构超宽带天线的SII在2.4-13.8GHz的频带范围内都小于TOdB,相对带宽达到了142%,带宽远远大于FCC所规定的超宽带无限通信带宽。带陷波结构超宽带天线Sn在5-6GHz的频带内Sll大于-IOdB,在2.4-13.8GHz的其余频带范围内都是小于TOdB,带宽和不带陷波结构带宽基本相当，并多一陷波阻带。图7中的测量结果和仿真结果基本吻合。图6实物图图7两种UWB天线Sll仿真值和测量值的比较4结论提出了一种小型化超宽带平面单极子微带天线，证明了凹形地板和阶梯状辐射贴片可以增加天线带宽，并减小天线尺寸，接着分析了辐射贴片上的U形槽对陷波特性的影响。该天线结构简单、加工方便、成本低，有广阔的应用前景。参考文献1KumarG,RayKP.BroadbandMicrostripAntennas.Boston:ArtechHouse,2003.2ChoiSH,ParkJK,KimSK,etal.ANewUltra-widebandAntennaforUWBApplications.MicrowaveandOpticalTechnologyLetters2004,40(05):399-401.3ChenZhiNing,CaiAilianjSeeTSP.PlanarUWBAntennasinProximityofHumanHead.IEEETransactiononMicrowaveTheoryandTechniques,2006,54(04):1846-1854.4MaTG,JengSK.Planarminiaturetapered-slot-fedannularslotantennasforultra-widebandradios.IEEETransAntennaspropagat,2005,53(7):1194-1202.作者简介：李存龙，男，硕士，主要研究共形天线、超宽带天线、宽带天线。