天线与电波传播论文-最新不同种类天线介绍

1、zzu-ie-zd最新不同种类天线介绍本文介绍了几种不同方面，不同类型的新型天线的设计。下面分节介绍。一、车载低剖面阵列动中通天线设计Ku波段或更高频段动中通、高速率卫星通信已经成为一个主要的应用领域。低剖面动中通天线装车高度低，风阻小，隐蔽性好等优点，能够满足车载卫星天线的迫切要求。根据车载天线低剖面的新要求，研制了一种高性能、小型化Ku波段双极化工作的低剖面阵列动中通天线，该天线采用低损耗波导阵列的组阵方式，天线阵列设计为41长条结构，应用了相控电子波束扫描跟踪技术，具有跟踪方式简单，天线效率高等特点。阵列天线及射频系统为减小天线剖面高度，充分利用天线的孔径效率，需采用收发共用的阵列天线，

2、即在同一辐射口面内，实现水平、垂直双线两种极化波同时存在，且每一个极化都覆盖接收和发射频段。天线辐射单元采用高效率的谐振式波导腔体结构形式，阵列规模为32×8单元，馈线部分采用带线加波导组合方式，以达到低损耗的效果。将天线分为四块，天线的子阵分布示意图如图1所示。每一块都设计有垂直、水平极化的频率双工器，进行收发分离。对于发射频段，采用直接合成的方式，通过后端的发射极化调整模块使得天线系统能够按照任意线极化方式工作。A子阵B子阵C子阵D子阵图 1 天线子阵分布示意图对接收频段子阵的垂直极化、水平极化信号分别进行射频放大，输入到接收极化调整模块，通过数控移相器和数控衰减器调整水平极化信

3、号和垂直极化信号之间的幅度和相位，然后通过合路器合成输出，实现每个子阵极化调整。最后通过四合一波束形成网络进行信号输出。将天线阵列、馈电网络、LNA、极化调整模块和波束形成网络进行一体化设计，减小了插入损耗，降低天线重量，缩小了天线厚度，提高了天线整体性能。阵列天线射频部分工作原理框图，如图2所示。使用HFSS高频仿真软件建模进行了仿真设计，设计的阵列天线结构模型如图3所示。通过HFSS仿真得出典型的方位和俯仰方向图如图4所示，图中，EL为阵列天线俯仰方向图，AZ为阵列天线方位方向图。由仿真方向图可以看出，方位面波束宽度约为1°，俯仰面波束宽度约为4°。方位面波束较窄，等效

4、为1.5m 抛物面的波束特性。一般情况下，赤道上空的现有同步通信卫星分布间隔为2°，由仿真的方向图可见，在偏离2°时，已经偏离到天线的主波束以外，天线在该方向的增益衰减较大，这对减小相邻星干扰具有重要作用。设计制造的低剖面阵列动中通天线内部结构照片如图5所示，天线座采用AE型转盘式结构，俯仰工作范围可达0°90°。设计的天线罩外形直径尺寸为图 2 射频工作原理框图图 3 双极化阵列天线仿真模型图 4 典型的方位和俯仰方向图1300mm，剖面高度仅为298mm，天线较高、中轮廓天线具有明显的外观优势，在提高载车的机动性、减小风阻方面具有重要作用。图 5 低

5、剖面阵列动中通天线照片二、基于非对称U 型槽的GPS 微带天线GPS微带天线结构如图6所示，非对称U型槽的作用在于实现圆极化工作和减小天线的尺寸。天线的介质材料仍然为FR4，介质基板的厚度h=3mm。在图6中，非对称U型槽除了左、右2个臂长UL，UR是不相等的以外，贴片沿着yz平面是对称的，通过调整非对称U型槽的2个臂长UL和UR，天线可获得良好的圆极化特性，如果ULUR，则天线为辐射左旋圆极化波(left-handed circular polarization，LHCP)；如果ULUR，则天线为辐射右旋圆极化波(right-handed circular polarization，RHCP

6、)。图 6 天线结构为了获得好的性能，借助仿真软件进行参数扫频分析，非对称U型槽天线的设计可以先从对称U型槽天线设计入手，然后，将对称U型槽的一条臂逐渐缩短来完成设计。本文中所设计的天线是为了达到右旋圆极化，所以ULUR。为了方便，在调试过程中，保持非对称U型槽的宽度w=1mm不变。改变UL臂的长度，对天线回波损耗S11的影响如图7所示。同样，UL臂的长度变化也会对天线的AR产生影响，如图8所示。若选用UL=UR=17mm，此时是对称U型槽，天线的回波损耗S11特性比较差，几乎没有S11<-10dB的阻抗带宽，天线也不存在圆极化特性，然后，逐渐缩短UL，当UL大于或小于一定值(UL=11

7、mm) 时，天线的阻抗带宽都变窄(见图7) ；图8中，随着UL的逐渐变短，由AR最小值所确定的频率向高频段偏移，且当 17 / 17图 7 S11随UL的变化关系图 8 AR随UL的变化关系UL=1mm时，非对称U型槽变成了L型槽，天线仍然有圆极化特性，但回波损耗值增加，天线已经无S11<-10dB的阻抗带宽了。经过仿真分析，最后确定天线的尺寸为接地板大小为59mm×59mm；介质基板尺寸为59mm×59mm×3mm；正方形贴片边长L=41mm；非对称U型槽的尺寸为UL=11mm，UR=17mm，Uc=9.4 mm，到贴片边缘的距离d=15mm，宽度w=1m

8、m；馈电点dp=3.8mm。天线性能仿真结果如图9图13所示。图 9 天线S11仿真结果图 10 天线AR仿真结果图 11 天线AR空域分布特性仿真结果图 12 天线RHCP方向图仿真结果图 13 天线LHCP方向图仿真结果图9中，天线在中心频率f0(1.575GHz)处的回波损耗S11为-14.7dB，阻抗匹配良好；-10dB阻抗带宽为81MHz(1.5301.611GHz)，满足GPS接收机天线对阻抗带宽的要求。天线的右旋圆极化轴比AR如图10所示，天线在中心频率处的AR为1.19 dB，天线的圆极化特性良好，3dB圆极化带宽为21MHz(1.5621.583GHz)。天线的圆极化空域分布

9、特性如图11所示，天线E面(=0°)的3 dB空域覆盖达143°(-76°67°)，天线H面(=90°)的3dB空域覆盖达176°(-90°86°)，可见天线获得了非常好的广角圆极化特性。天线的RHCP和LHCP方向图特性如图11和图12所示，天线的增益可达1.66dB，在整个上半平面(-90°90°)，天线的增益大于-7.5dB。E面3dB波束为98°(-49°49°)，H面3dB波束为95°(-47°48°)，E面的3dB波束范围比

10、H面的略宽，这是因为沿着x方向的槽的长度比沿着y方向的槽的长度要短些；在波束范围内都具有很好的右旋圆极化特性，该天线具有稳定的辐射特性。E面上，在=0°方向上，RHCP电平大于其交叉极化LHCP的电平23dB，在-75°66°时，RHCP电平大于LHCP电平15dB以上。H面上，在=0°方向上，RHCP电平大于其交叉极化LHCP的电平23dB，在-90°85°时，RHCP电平大于LHCP电平15dB以上，可见，该天线具有较强的抑制交叉极化和抗多径干扰的能力。根据仿真优化后的模型对天线进行加工，天线实物如图14所示。天线的金属接地板与辐

11、射贴片均采用厚度为0.035mm的黄铜片，天线采用内轴的直径为1mm，阻抗为50的同轴馈电，其回波损耗特性S11采用矢量网络分析仪进行测试，图15为天线的S参数测试结果。与仿真结果相比，谐振频率向低频稍微偏移，阻抗带宽特性良好，在实现阻抗匹配的同时，该款天线能正常工作在中心频率1.575GHz附近的GPS频段中。测试结果表明，所设计的天线较适合应用在GPS终端设备中。图 14 天线实物图 15 天线S参数测试结果三、基于贴片组阵的微带天线矿难发生后第一时间获取事故现场的相关信息，是快速制定救援方案，赢得宝贵救援时间的关键。针对矿难救援现场对无线通信节点的实际要求以及节点本身结构上的限制，通过反

12、复试验测试对比，设计了一种对称贴片组阵微带天线结构。从井下救援环境对天线的特殊要求考虑，本文采用双面PCB贴片天线， 其与一般的微带贴片天线相比，辐射强度增大，使得数据的传输速率和传输距离能够达到所需的要求，其天线结构如图16所示。在介质板（r=4.4）的两面分别印制图上所示结构。图 16 天线结构其实际上采用的是二元阵列的方式，在普通贴片的基础上，将多个贴片并联起来，原理如图17所示。采用50的SMA头。图 17 贴片组阵其中贴片的长L=c2frr+12-12贴片的宽W=c2fre-2L式中fr谐振频率e有效介电常数，由于边缘场的影响，在设计宽度W的尺寸时应减去2L。本文采用三维电磁仿真软件

13、HFSS进行天线的设计，通过反复的优化和修改，得到天线的尺寸数据如下：L1=49.4mm，L2=23mm，L3=6.8mm，L4=9.1mm，L5=6.8mm，W1=4.8mm，W2=4.1mm，W3=0.5mm，W4=1mm。通过实验得出，所研制的贴片组阵微带天线已经接近外置天线的效果，好于普通贴片天线，能够较好地满足救援现场进行视频与环境数据传输的需要。与外置天线相比，贴片组阵微带天线体积小、功耗低，便于移动机器人的携带和现场快速布放。四、新型共形微带准八木天线本节设计了一款新型的平面微带准八木天线，并将其与圆柱面共形。利用电磁场仿真软件(High Frequency Structure

14、Simulator, HFSS）对天线单元进行了仿真，研究了引向器的数量和尺寸、辐射偶极子的形状等结构参数对天线性能的影响，通过优化设计，得到了符合应用要求、性能良好的设计结果。最后根据仿真参数将天线加工成实物，测试结果与仿真结果吻合。平面微带准八木天线的结构如图18所示。本天线采用单面微带结构，与普通八木天线的结构基本相同，天线由辐射振子、反射器、引向器组成。不同的是，用天线接地面做反射单元，通过实验证明接地面起到了良好的反射作用。本节采用共面波导(Coplanar Waveguide CPW)直接馈电，不但能简化馈电网络，减小天线尺寸，还能增加天线阻抗带宽。图 18 平面天线结构示意图根据

15、八木天线的设计原理，天线振子的长度应该在0.450.48eff ，引向器的长度应该在0.40.45eff ，引向器与振子之间的距离应该在0.10.3eff ，引向器之间的距离应该在0.150.4eff ，eff为工作波长。天线的谐振频率主要由天线振子的长度决定，本文所设计天线的谐振频率设定在900MHz左右。天线选用厚度0.2mm相对介电常数r1=2.55的介质板，这种薄介质板易于弯曲并与柱面共形，共形后的结构如图2所示。为了便于实际加工测试，并且较好地模拟飞行器，柱体选用胶木材料，其相对介电常数r2=8，柱体半径R=87mm，高度H=200mm。由于微带准八木天线结构较为复杂，影响天线性能的

16、参数很多，逐一优化起来会顾此失彼。经过仿真，发现天线阻抗匹配、方向图、增益等性能主要由辐射器和反射器的结构决定，所以本文主要通过优化设计辐射器和反射器的结构来达到最佳性能。图 19 柱面共形结构示意图综合考虑并仿真优化，最终确定天线各个参数如表所示。表格 1 各参数尺寸（mm）LWHRhwgs180100200870.2212L1L2L3L4L5L6W1W2761522388382015W3W4W5W6W7151114218实际加工制作了天线实物，如图20所示。天线在微波暗室完成测试，由矢量网络分析仪测得的反射系数S11曲线与仿真结果比较，如图21所示。实测谐振点位于888MHz，天线在790

17、1080MHz频带内，回波损耗S11-10dB，相对带宽约为30%。实测结果与仿真结果相比较，谐振点偏小，反射系数曲线深度变浅，但是S11-10dB的带宽增加约90MHz。在整个频带范围内，S11曲线的变化趋势及阻抗带宽与仿真结果一致。图 20 天线实物图 21 实测回波损耗曲线与仿真结果比较实测天线谐振点888MHz处的辐射方向图与仿真归一化方向图比较，如图22和23所示。由E面（xoy面）和H面（yoz面）方向图可以看出，天线辐射最大方向为引向器（正y轴）方向。天线的实测E面3dB波瓣宽度约为120度，H面3dB波瓣宽度约为106度。两个面的3dB波束宽度均在100度以上，实现了天线宽波束

18、通信的性能。另外，通过与标准喇叭天线比较，测出天线谐振点处的最大增益为3.8dB。考虑到天线设计在较低频率以及实现宽波束的功能，所以天线增益不高。经过计算，天线效率约为75%，与微带天线的效率基本一致。图 22实测方向图与仿真结果比较E面方向图图 23实测方向图与仿真结果比较H面方向图五、一种Peano 结构的圆极化微带天线本节所用的EBG结构为一阶Peano结构, 如图24所示。Peano结构也是一种分形结构，可以得到无限周期结构。介质基板表面为一阶Peano结构，底面为地平面。图 24 一阶Peano结构单元这种结构不容易用集总LC电路来描述，通过有限元计算软件HFSS对其特性进行分析。利

19、用分析结果来进行Peano周期结构设计，达到所要求的效果。圆极化天线的优点是可以接收多种极化来波，除了和本身反向的回波。因此，圆极化天线广泛应用于移动通信和GPS中，可以抑制雨雾干扰和多径反射。本节采用方形微带天线作引入微扰s来实现圆极化特性，天线的大小l=0.5g，其中g为介质板中的电磁波波长。g=cfe (5-1)引入的微扰s即微带天线的切角，可以由下式（5-2）计算，得到微带天线的基本参数。e=r+12+r-121+10hl-12ss=12QQ=2ehGl×E2dAE2dl (5-2)根据上面的经验式（5-2）可以得到圆极化微带天线的结构。设计的微带天线中心频率为8GHz，微带

20、天线l=6.6mm，切角面积s=1.56mm2，基板的大小为16.4mm×16.4mm，基板高度H=2mm，基板采用介电常数r=6。同时把Peano结构放到天线周围，设计Peano结构和天线间距为2mm，大大减小电磁带隙与天线的间距。EBG结构的尺寸为L=2.78mm，W=0.5mm，G=0.5mm，有EBG结构的切角面积为s=10.24mm2。经过仿真优化后得到的无EBG结构和有EBG结构的微带天线如图25所示。图 25 天线结构仿真结构图图 26 圆极化微带天线反射系数从图25可以看出，EBG结构离天线2mm时，由于减小了谐振腔体的体积，天线的谐振频率会提高。调节圆极化微带天线的

21、馈点位置和切角大小，可以得到合适的工作频率。此时天线馈电点不一定在中边位置，要进行微调，可以得到良好的圆极化特性和匹配特性。同时EBG结构的带阻特性能有效抑制微带天线的表面波，降低天线后瓣。图26为有EBG结构和无EBG结构的圆极化微带天线馈电端口的反射系数（S11）。由于EBG结构的存在，会影响微带天线表面的电场分布。而微带天线表面阻抗变化特性与无EBG结构时的天线阻抗变化特性是一样的。有EBG结构时，天线的匹配特性得到提高，提高天线的工作效率。有无Peano周期结构的圆极化微带天线的Phi=0°远场方向图对比如图27所示，Phi=90°远场方向对比如图28所示。没有EB

22、G结构的圆极化微带天线方向图的E面和H面在0°时的天线增益为5.16dB，带有EBG结构的圆极化微带天线方向图在0°时的天线增益为4.3dB。天线增益降低0.9dB。带EBG结构的微带天线的波束比没有EBG结构的微带天线波束要窄，并且由于EBG结构阻带的存在，有效抑制了微带天线的表面波，使得圆极化微带天线的后瓣明显减小，比原方向图减小5dB左右，提高了天线的方向性。图29为有无EBG结构的圆极化微带天线的轴比对比图。一般定义轴比带宽为低于3dB的频带宽为圆极化带宽，高于3dB的为线极化工作。带EBG结构的圆极化微带天线的轴比与没有EBG结构的天线轴比相近，有EBG结构的微带

23、天线圆极化带宽略小于没有EBG结构的微带天线。图 27 微带天线Phi=0°方向图图 28 微带天线Phi=90°方向图图 29 微带天线轴比在天线阵进行波束扫描时，扫描性能的改变主要受到天线阵元之间的互耦的影响，严重时可产生扫描盲区。另外，波束也与单个天线阵元方向图有关，在边缘的阵元与中心的阵元方向图差异很大，由此引起天线阵方向图综合误差增大。 当对圆极化微带天线组成天线阵时进行扫描时，天线阵元之间的互耦会造成方向图恶化，严重时会退化成线极化天线阵。利用EBG结构减小天线阵元之间的互藕，提高天线阵元的独立性。用两个圆极化微带天线测试EBG结构的带阻特性。 建立的模型如图3

24、0所示。图 30 EBG结构天线阵对两阵元天线的互耦进行对比分析，一种加入EBG结构，另一种不加入EBG结构。阵元间距为13.12mm，也就是0.35。在EBG结构中的两个微带天线的反射系数曲线如图10所示。在EBG结构中的微带天线反射系数没有变化，即微带天线的匹配特性基本不受影响。对天线反射系数影响比较大的是天线与周围的一节Peano结构的距离，适当调整优化可以得到良好效果。保持阵元间距不变，分别对有EBG结构和没有EBG结构的天线阵元互耦进行仿真，得到的结果如图32所示。从图32中可以看出，加入EBG结构后，阵元之间的互耦明显减小。在8GHz处阵元之间的互耦从-13dB降低到-21dB。所

25、以EBG结构在天线阵中可以有效抑制表面波传输，同时保证天线阵元的间距，降低阵元之间的互耦，从而在一定程度上消除天线阵的盲区，提高天线阵的性能。图 31 微带天线反射系数图 32 天线阵元互耦曲线六、一种新型UHF RFID抗金属标签天线UHF无源标签的性能主要由两个方面决定：标签天线的增益大小以及天线与芯片之间的阻抗匹配。一种提高增益的方法是并联多个折叠型偶极子结构，因为额外的偶极子的辐射阻抗能够提高天线效率，因此本节提出在传统偶极子天线结构（图33）上改造一段环形微带线，在不增加天线面积的情况下获得增益提高。图 33 传统天线结构该天线结构由变型弯折偶极子辐射体和环形微带线以及矩形馈电环三部

26、分组成，将芯片贴在矩形馈电环的开口处进行激励，利用电感耦合将能量送至两个中间部分连在一起的弯折偶极子辐射体上。偶极子采用阶梯弯折状可以缩短天线的整体长度，使其结构紧凑面积缩小。天线结构如图3所示。图 34 本节提出的环形天线结构将以上两种天线置于72mm×36mm的金属板上，采用相对介电常数为4.4，厚度为1mm 的介质板，利用HFSS软件进行仿真，最终得到功率反射系数曲线图，如图35所示。从图中可以看到，本文提出的环形天线在频率为900MHz时功率反射系数可达到-22dB，其性能大大优于传统天线。图35传统天线和环形天线功率反射系数曲线图36天线距金属板距离大小h与功率反射系数的关

27、系天线增益大小和它到金属板的距离密切相关，表2列出了传统天线和环形天线在距金属板距离h分别为2mm，3mm，5mm，10mm时的增益值；图36是环形天线在距金属板距离为2mm，3mm，4mm，6mm，8mm 时功率反射系数的曲线。从表2中可以看出，在距金属板距离相同时，本文提出的环形天线增益始终优于传统天线，验证了该环形天线的高性能。同时，随着天线到金属板距离的增加，增益值呈现出不规律的变化趋势，因此，通过大量的仿真优化，最终观察到该天线在距金属板距离为3mm时可获得最大增益，增益值为2.06dBi。从图36可以看出，该环形天线工作在900MHz时性能最好。表格 2 距金属板距离大小与天线增益

28、的关系（900MHz）距金属板距离/mm传统天线增益/dBi环形天线增益/dBi2-2.571.7330.922.0651.61.92101.992.31接地面大小是对天线性能影响的另一个因素。通过仿真研究发现，金属面大小的变化对谐振频率、输入阻抗、带宽影响较小，但对辐射效率、方向图的影响较大。表3列出了电子标签分别位于金属表面面积为60mm×36mm，72mm×36mm，90mm×36mm时天线增益的变化情况。从表3可以看到标签在面积为60mm×36mm的金属表面工作时天线增益较低，只有1.90dBi；随着金属表面面积增加到72mm×36mm

29、，天线的增益增强到2.06dBi，但随着金属面积的进一步增大天线的增益又有所下降，因此得出天线增益大小变化并不与金属面大小变化成正比，原因是在金属表面面积增加到一定程度时，天线的辐射方向会发生畸变，使得垂直于辐射面的辐射场减弱，此时天线的增益会有所下降。表格 3 金属表面大小与天线增益的关系表面面积/mm2增益/dBi60×361.9072×362.0690×361.31图37为该天线的阻抗曲线，可以看到在900MHz时天线的阻抗为（44.24j5.96），需要选择阻抗值为（44.24+j5.96）的芯片与天线进行共轭匹配。如果使用的芯片阻抗值不是（44.24+j

30、5.96）而是其他的容性值，可以通过调整天线的开槽长度来优化其阻抗值以达到天线与芯片之间的共轭匹配。该天线采用相对介电常数4.4、厚度1mm的FR4基板进行加工，实物如图38所示。图 37 天线输入阻抗曲线图 38 天线实物图七、一种电磁偶极子超宽带微带天线超宽带偶极子微带天线结构如图39、40、41所示，天线的水平部分是电偶极子单元，由等腰直角三角形贴片，等腰梯形贴片和矩形贴片组成，其中矩形贴片与等腰梯形的下底相连，高度33毫米。等腰直角三角形与等腰梯形通过2.5毫米宽的水平缝隙隔开。与三角形贴片直角边和梯形两腰相连的短路贴片构成了垂直方向上的短路贴片天线，相当于一个磁偶极子，采用型馈线同时

31、激励电偶极子和磁偶极子，就可以实现E面和H面近乎相等的方向图。为了调节阻抗匹配，馈线高度略低于平面贴片高度，型馈线高21毫米。型馈线包括两个部分：传输部分和耦合部分。传输部分是一段宽度由下向上逐渐变细的微带线，宽度渐变的微带线比常规的矩形微带线可以实现更好的阻抗匹配，传输部分底部宽3.2毫米，与地板下面的同轴线接头相连接，顶部宽1.5毫米，与耦合部分相连，传输部分与邻近的垂直短路贴片共同构成传输线模式，将同轴线信号传输至型馈线的耦合部分；型馈线其余部分即为型馈线的耦合部分，耦合部分的水平部分呈感性，竖直部分靠近短路贴片，主要呈容性。通过调节L馈线水平和垂直部分的尺寸，可以实现良好的阻抗匹配。型馈线的水平部分较宽，为2.5毫米，并不与附近短路贴片相连，而是穿过在垂直短路贴片上的打孔向下弯折。由于天线工作频带很宽，为了防止高次模的出现导致天线增益和方向图变差，在反射板边沿添加了金属围栏改善增益和方向图指标,包括倾斜部分和垂直部分。倾斜部分底部与反射板相连，顶部与垂直金属围栏部分相连。倾斜部分斜面长56.9毫米，高33.5毫米，垂直部分