超宽带平面单极子天线的分析和设计

1、超宽带平面单极子天线的分析和设计孙永志李庭王伟光陈秋林王一笑赵旭(中国航天科工集团8511研究所,南京210007摘要:本文研究了一种应用于超宽频带的平面单极子天线。用传输线理论的等效电路方法分析了展宽平面单极天线带宽的措施,即添加切角和短路枝节。设计出了一种实用的超宽频带平面单极子天线,并对该天线进行了数值仿真。计算的电压驻波比和辐射方向图与实测结果吻合良好。关键词:平面单极子天线,传输线理论,超宽带Analysis and Design of the Ultra Wide Band Planar Monopole Antenna Sun Yongzhi Li Ting Wang Weigu

2、ang Chen Qiulin Wang Yixiao Zhao Xu (No.8511 Research Institute of China Aerospace Science Industry Corp of China, Nanjing 210007Abstract:In this paper, coordinate transformation method was used to analyze two-dimensional cylindrical electromagnetic invisibility cloaking.And the electromagnetic disp

3、ersion 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 theory;Ultra W

4、ide Band1 引言超宽带(Ultra Wide Band,缩写为UWB是一种利用纳秒至微微秒级的非正弦窄脉冲传输数据的无载波通信技术,与传统通讯系统相比,所占用的频带宽度大大变宽。FCC(美国联邦通信委员会对UWB系统给出明确规范,规定3.110.6GHz为UWB系统占用频带,带内信号辐射功率密度低于-41.3dBm/MHz,并且要求带内反射系数S11小于-10dB1。UWB系统不仅要求天线具有全向辐射特性,还要求天线在整个频带内有良好的阻抗匹配特性和较高的辐射效率,并且还要考虑移动通讯设备对天线尺寸的要求。平面单极子天线及其变形,由于结构简单、制造成本低和频带宽等特性,已经成为近来UW

5、B天线设计的研究热点。本文主要讨论以平面单极子天线为基础的UWB天线的分析与设计。定性分析了平面单极子天线的工作原理,讨论展宽天线阻抗带宽的措施。在此基础上,设计出了一种实用的平面单极子天线,测量的驻波比和方向图与仿真结果非常吻合。2 平面单极子天线的基本原理众所周知,直立细线单极子天线的阻抗带宽很窄。现在有很多文献都在探索和研究展宽天线阻抗带宽的方法和技术,如在矩形平面单极子上添加切角和短路支节等2,如图1所示。定性分析与展宽天线阻抗带宽有关的参数及其作用,平面单极子天线的电流主要集中在天线的底部和左右边缘两侧,并且水平方向上的电流密度远大于垂直方向上的电流密度3。因此,我们不妨切除天线上几

6、乎没有电流分布的区域,用U形或半圆形等来等效整个平面单极子。基金项目:国家高技术研究发展计划(2007AA7;·2· 图1 带切角和短路支节平面单极子天线的结构从传输线理论讲,切角可以等效为多段水平传输线,它们的特性阻抗随离开馈电的距离增加而增大。此时,天线就可看成是不同特性阻抗传输线的级联,根据传输线的宽带匹配思想,经过适当设计切角可以展宽平面单极天线的阻抗频带。在单极子的一侧(如右侧添加短路支节,此时对应等效电路模型,该侧的负载阻抗为近似为0。因此,短路支节构成另一谐振回路,如果设计合理,即可产生新的谐振频点,从而展宽天线带宽。3 UWB 平面单极子天线的仿真和测试结果

7、及其分析依据等效电路原理的设计思路,考虑到制作的可实现性,经过多次分析和仿真发现只添加切角不可能达到设计要求,最后,增加电路枝节后,我们得到满足设计要求的模型天线尺寸如下:地板尺寸为92mm×76mm ,平面单极子高度h =38mm ,宽度w =54mm ,馈电间隙h gap =1mm ,馈电平面宽度w gap =3mm ,短路枝节宽度w s =1mm ,切角角度=90。计算和测量电压驻波如图2所示。456789 10Simulated MeasuredV S W RFrequency, GHz图2 电压驻波比测量与仿真结果比较由图2可知在3.1-10.6GHz 频带内,UWB 天线

8、满足VSWR<1.925即是满足S 11<-10dB 。平面单极天线结构对称,H 平面辐射方向图是全向的。方向图在UWB3.1-10.6GHz 带宽范围内H 平面是全向性的。E 面方向图随着频率的升高,发生了畸变,这是由于测量仪器动态范围不够以及随着频率升高连接被测天线、参考天线与收发机的电缆衰减大大增加的缘故。仿真与测量方向图如图3所示。图3 E 面和H 面方向图的仿真与测量结果比较4 结论平面单极子天线是UWB天线的研究热点之一。本文研究了一种变形的矩形平面单极子天线,通过添加切角和短路枝节可以大大展宽其阻抗带宽,能够满足UWB天线的要求。根据传输线等效电路模型,可以定性解释为

9、增加切角和短路枝节展宽这种单极子天线的带宽。设计的UWB平面单极子天线满足UWB天线的设计指标,仿真和实际测试的驻波比与辐射方向图结果吻合良好。参考文献1 林立峰. 超宽带无线通信技术. 中国数据通信,2005。2 邹卫霞,周正等. 超宽带无线通信技. 电子质量,2004。3 郭安波,陈惠民. 平面单极天线的设计. 无线电工程,2005。4 Daniel Valderas, Jon Legarda, and Iñigo Gutiérrez et, Design of UWB Folded-Plate Monopole Antennas Based on TLM, IEEET

10、ransactions on Antennas and Propagation, 2006.作者简介:孙永志,男,博士,主要研究领域为微波毫米波技术研究、天线设计、异向介质研究等。·3·双圆极化微带天线的设计薛欣张福顺冯昕罡程喆宁舒曼(西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室,陕西西安710071摘要:本文研究了小型化双圆极化微带天线的设计方法。本文重点讨论了实现双圆极化、宽波束宽度微带叠层天线小型化的实现方法,并利用Ansoft HFSS 软件进行仿真分析,在此基础上研制了样件,并对其电性能进行了测量,测量结果表明,此微带天线具有圆极化、宽波束宽度和小型化的特点。关键

11、词:圆极化,宽波束宽度,小型化,微带天线Design of Dual-Circularly-Polarized microstrip Antenna Xue Xin Zhang Fushun Feng Xingang Chen Zhe Ning Shuman (National Laboratory of Antenna and Microwave Technol ogy, Xidian University, Xian Shanxi, 710071,ChinaAbstract: In this paper, a compact dual circular polarization micro

12、strip patch 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

13、shows that 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 引言微带天线的优点是体积小、重量轻、低剖面,其主要缺点是带宽很窄。一般工程中要使微带圆极化天线兼顾双圆极化、宽波束宽度和小型化的特点具有一定难度,本文

14、在此工程背景上进行研究,思路是使天线能同时工作在两个离散的频率点,产生不同旋向的圆极化特性1。一般由于圆极化天线带宽很窄,加工时,尺寸稍有误差,便使得圆极化特性变差。本文采用双馈点馈电,增加天线的对称结构,改善了圆极化特性,最终利用经验公式和仿真软件,设计了工作在两个不同频率点,不同旋向的圆极化天线,并采用高介电常数的介质板来减小天线尺寸,和展宽波束宽度2,3。2 微带天线的设计天线的设计要求为天线要求安装在边长为48mm,四周倒圆角的方形底座上,分别工作在L波段和S波段,其电压驻波比VSWR2,轴比Axial Ratio2dB。工作频率L波段时产生左旋圆极化波,工作频率S波段时产生右旋圆极化

15、波。本文的采用多层重叠的微带天线来实现双频双圆极化特性,这样的优点是便于工程实现和加工。为了减小天线的尺寸和展宽辐射波束宽度,采用介电常数为9.8的陶瓷介质,厚度为2mm,工作频率在S波段的在上层,工作频率在L波段的在下层。这样高频天线工作的时候下层的天线充当了地板;当低频天线工作时,高频天线因为尺寸小,也减小了对低频天线的影响。同时改变天线的形状,以改善波束宽度范围内的圆极化特性。·4· ·5·如图1所示。圆极化方式采用双馈电点,两个馈电端口所辐射的01TM 和10TM 模,在贴片辐射方向形成两个正交分量,相差/2,选择适当的激励频率,可以使两个模式同

16、时被激励,从而得到一个圆极化辐射场,选择适当的相差,使得上层辐射右旋圆极化场,下层辐射左旋圆极化场。(a 俯视图(b 侧视图图1 天线结构2.1 贴片的设计设计贴片时,先根据正方形贴片天线的经典公式设计天线单元其初边长L 。0.52g L L =- (12g r rc f =(2根据式(1式(2计算出天线的初始尺寸,采用高介电常数介质,以减小天线尺寸和展宽波束宽度,增加天线的对称结构,以改善圆极化特性,再利用仿真软件,优化天线的尺寸4,5。2.2 馈电网络的设计馈电网络采用双馈点馈电,如图2所示,高频功分器和低频功分器分开工作,其功分器部分采用Wilkinson 功分器,移相器采用普通微带传输

17、线。利用微带传输线移相的特性,使功分器终端得到两个等幅,相位相差/2的电场。图2 功分器结构3 仿真及实验结果3.1 仿真分析对图1所示天线结构和图2所示功分器,利用Ansoft HFSS 软件进行仿真优化设计,具体尺寸如下:(1天线大小 Ls1= 26.8mm ,Ls2=18mm ; (2介质板介电常数=9.8; (3介质板尺寸Lm=48mm ,厚度H 2=H 1=2mm 。 利用以上尺寸,建立模型仿真结果如图3-图4所示,图3为天线的电压驻波比系数(VSWR ,图4为天线辐射方向图,其中0度方向为天线辐射面法线方向。(a f 0图3 天线电压驻波比系数·6·(af0 图

18、4 天线仿真方向图由图3、图4可以看出天线的两个工作频率VSWR2、最大辐射方向轴比Axial Ratio2dB, 0f=1.616GHz时3dB波瓣宽度为115, 0f=2.491GHz时3dB波瓣宽度为120。3.2 实验结果本文根据天线的设计和仿真尺寸,加工出小型化微带天线的实物样件,样件尺寸为48mm×48mm,并对样件进行了电测量,图5为双频双圆极化微带天线的实物样件和使用HP8753D矢量网络分析仪测量天线的电压驻波系数(VSWR的测试结果。 (a 天线样件 (b f0 图5 实测天线电压驻波比系数由图5可以看出天线在工作频率1.616GHz时,其电压驻波比为1.3。工作

19、频率为2.491GHz时,其电压驻波比为1.7,满足了设计要求在微波暗室,远区条件下,采用自制的天线远场自动测量系统在f0=1.616GHz和f0=2.491GHz时,对该天线的辐射方向图进行了实测,测试结果如图6和表1所示,其中0度方向为天线辐射面法线方向6。 (a f0 图6 天线实测方向图表1 天线3dB轴比波束宽度数据表天线工作频率 1.616GHz 2.491GHz 仿真HPBW(AR3dB140150实测HPBW(AR3dB124145图6的电测试结果和表1表明,天线在两个工作频率点,在很宽的波束宽度范围内有很好的圆极化特性。4 结论本本文研究了小型化双频双圆极化微带天线的设计方法

20、,首先通过采用叠层天线的设计思路使天线工作在两个离散的频率点产生不同极化的圆极化波,并通过使用高介电常数减少天线尺寸和展宽波束宽度,增加天线对称结构改善圆极化特性,然后根据Ansoft HFSS软件仿真优化出的结构尺寸,加工了天线样件,样件尺寸为48mm×48mm,其电测的结果也满足了设计指标的要求,该天线已经用于工程实际,由很高的实用推广价值。参考文献3 GPS antenna design with slotted ground plane, microwave and optical technology letters, 20084 钟顺时. 微带天线理论与应用. 西安电子科

21、技大学出版社, 19915 美David M.Pozar. 微波工程. 电子工业出版社, 2007.6 张福顺, 张进民. 天线测量M. 西安:西安电子科技大学出版社,1995.作者简介:薛欣,男,硕士,主要研究领域腔体滤波器、超宽带微带天线等;张福顺,男,教授、博士生导师,主要研究天线理论工程与工程及测量,发表学术论文50余篇,其中30余篇被EI检索。·7·C波段宽带高增益微带天线的研究刘剑1 于映2(南京邮电大学通信工程与信息学院,江苏南京2100031;(南京邮电大学通信工程与信息学院,江苏南京2100032摘要:介绍了一种C波段的新型宽带高增益微带天线设计,为了实现

22、宽带高增益,采用了一种微带贴片中心短路以及共面波导馈电的长方形环天线。用HFSS软件仿真计算,结果表明,该天线结构具有良好的反射损耗和宽带高增益特性。关键字:高增益天线;宽带天线;微带天线;短路长方形环贴片;仿真Study on a C band wideband high-gain microstrip antenna(College of Telecommunications and Information Engineering, Nanjing University of Posts & Telecommunications, Nanjing 210003 1;(College

23、 of Telecommunications and Information Engineering, Nanjing University of Posts &Telecommunications, Nanjing 210003 2Abstract: In this paper, a design method of a novel C band wideband high-gain microstrip antenna was presented. To achieve a wideband and high-gain, the shorted rectangle patch an

24、d 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; wideband antenna; microstrip antenna;

25、shorted rectangle patch; simulation1 引言近年来,微带天线以其低姿态,低成本等优点在民用和军事领域得到广泛应用,然而传统的微带天线也具有一些不可忽视的缺点,如带宽窄,增益比较低1。文献2,3,4提出了解决微带天线带宽窄的一些方法,例如通过使用寄生单元贴片,使天线带宽打到25%;采用L探针馈电方式,但结构不牢固。而且增益都没有很大改善。文献5,6提出了一些解决天线增益低的一些方法,但是天线带宽却非常窄。目前对于单层介质板的微带天线,能同时提高微带天线带宽和增益的方法却不多见。为了提高天线增益,文献7在圆形环天线的中心环处通过一个环形金属薄壁短接到接地板,在工作

26、频率天线增益达到了10.67dBi,文献8通过在共面波导中心导体加一个金属柱与贴片相连的结构,提高了天线的带宽和增益。文献9提出了一种并联馈电的方法以提高天线增益。本文在文献7,8,9的基础提出了一种宽带高增益的矩形短路环天线。2 天线结构本文涉及的天线结构如图1所示:天线介质板用相对介电常数2.65的介质材料,高1.5mm,辐射贴片为长方形,中间通过一个正方形环形金属薄壁与接地板短路。馈线为共面波导,馈线1为50欧姆,馈线2为100欧姆,在馈线2末端,有金属柱连接共面波导中间导体与贴片相连接。通过调节金属柱与贴片的相对位置,以及馈线SW和SL的尺寸,实线天线输入端口的阻抗匹配特性。·

27、;8··9· (a 三维立体图 (b 透视图图1 天线结构示意图3 仿真结果及分析本设计使用ANSOFT 公司的HFSS 对天线进行仿真和优化,最终确定了比较理想的天线结构:长方形辐射单元外环边长为W=26mm, L=60mm ,中心短路通孔长度为a=13mm ,100欧姆馈线终端的中间导体尺寸为:SW=3mm, SL=2.5mm 。该天线的反射损耗的仿真结果与理论结果如图2所示: 图2 天线的反射损耗特性图3给出了天线在4.6GHz 与4.9GHz 的E 面和H 面的远场方向图的测试结果。 (a (b (c(d图3 天线E 面和H 面方向性图图4给出了天线从4G

28、Hz到5.6GHz的增益变化曲线。 图4 天线增益变化曲线4 结论本文设计了一种宽带高增益微带天线,由于该结构采用了中心短路的方形环,提高了天线的增益。通过在共面波导线分支线中间导体用金属柱与贴片相连的结构,增加了天线带宽,同时提高了天线增益。仿真和测试值相对带宽均大于30%带宽。天线增益测试结果最大值为11.6dBi,仿真值最大为12.1dBi。S11的仿真与测试曲线出现的频偏现象是由于加工精度的限制导致,金属柱的加工精度与焊接水平直接影响到S11的通带位置。由于该天线良好的反射特性和较高的增益,有望在阵列天线中使用。·10·参 考 文 献 1 2 3 4 5 6 J.

29、R. James, and P. S. Hall, “Handbook of Microstrip Antennas,” Peter Peregrinus, London, UK, 1989 (Chapter 3. C. Wood, “Improved bandwidth of microstrip antennas using parasitic elements”, IEE proceedings microwaves, antennas and propagation, vol. 127, pp.231 234, 1980. R. B. Waterhouse, “Design of probe-fed stacked patches,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP -47, pp.1780 1784, 1999. C. L. Mak, K. M. Luk, and K. F. Lee, “Experimental study of a microstrip patch antenna with an L -shaped probe,” IEEE Trans. Ante