经典知识学习天线集2009年会集

1、一种新型双频双圆极化微带天线卢春兰 1彭川 11,2（理工大学通信，南京 210007）1（）293975摘 要：本文给出了一种新型双频反向圆极化微带天线的设计。该天线采用贴片层叠结构和单点馈电。和测试结果表明，该天线在工作频段内具有良好的输入特性和辐射特性，并且具有较好的广角圆极化性能。：双频，双圆极化，单点馈电A Novel Dual-Band And Dual Circular Polarization Microstrip AntennaCao Yisen1，2Lu Chun Lan1Peng Chuan1（ICE，PLAUST Nanjing 210007，China）1；（No.9

2、3975 unit of PLA）2Abstract: This paper presents a novel design of a dual frequencies and dual circular polarization microstrip antenna. Multi-layer structure and single feed are employed. Simulated computed by Ansoft HFSS10.0 and measured results indicated that the antenna has a good performance of

3、return losses, radiation pattern and wide-range circular polarization.Key words: Dual Frequencies; Dual Circular Polarization; single feed献。本文基于上述背景，提出了一种采用单点馈电实现双频反向圆极化的双频微带天线形式，利用层叠贴片来实现双频工作，上层贴片采用探针直接馈电，下层贴片通过电磁耦合馈电，利用在贴片上开槽来实现天线的圆极化。整个天线结构简单，易于1引言近年来，微带天线由于具有小，成本低，易实现圆极化等优点在通信系统中得到了广泛的应用。在通信系统中，

4、一般要求天线能实现双频工作，并具有良好的圆极化性能。目前，已研制出多种天线形式，在实现双频工作的同时，保证具有良好的圆极化性能，特别是应用于 GPS 手持终端的天线，已经有了很多的研究。但是，在实现天制作，和测量结果表明，该天线完全能应用于通信手持终端。2天线设计线双频反向圆极化的性能中，大部分天线采点馈电，并且用功分移相器来实现天线的双频反向圆极化性能，如文献14，这种设计方式无疑增加了天线的复杂程度，提高了天线的制作成本。而单点馈电圆极化微带天线无需功分器、移相器等正交馈天线的结构如图 1 所示。该天线由工作在两个频段的方形微带贴片层叠起来, 形成双频圆极化天线。物理较小的微带贴片放在上层

5、，物理电网络，用作相天线单元时，其复杂的馈电网较大的微带天线放在下层。探针通过下层贴片上的钻孔连接到上层贴片上，下层贴片是上层贴片的寄生单元，通过上层贴片电磁耦合馈电。上层贴片辐射较高频率，下层贴片辐射较低频率，上层的贴片格可以得到有效简化，虽然现在对于单馈点的双频同向圆极化的微带天线有一些研究，但对于单馈点双频反向圆极化的微带天线却很少见到相关的文·1·辐射时，下层贴片作为它的接地面；下层贴片辐射时，上层贴片作为电感性耦合元件，天线的等效原理图如图 2 所示，f1、f2 分别为两个贴片的谐振频率。天线上下介质均采用介电常数e = 3.5 ，损耗角正切tans = 0.00

6、1 的F4B-2 材料，上层介质和下层介质的厚度分别为h1，h2。采用基于有限元法的商业软件Ansoft HFSS10.0 对该设计进行，得到了一些有用的结果。通过大量的发现，天线在低频端的谐振频率主要取决于 L1，在高频端的谐振频率取决于参数 L2，天线的驻波比随L1，L2 的变化关系如图 3，图 4 所示。图 3 天线驻波比随 L1 变化曲线图 1 天线结构图单点馈电的圆极化微带天线利用简并分离元微扰技术, 在普通圆形微带天线的基础上, 加入微扰, 形成简并分离，适当调节微扰量, 使天线产生两个正交极化波的简并模, 其中一个模电压的相位比另一个模的模电压超前 90°，这样在远场区

7、就形成了圆极化。本文采用在方形贴片上开槽的方式来实现圆极化辐射，其中，在下层贴片上沿 x 轴方向开槽， 如图 1（a）所示，以实现在低频工作时的右旋圆极化辐射；在上层贴片上沿 y 轴方向开槽，如图 1（b） 所示，以实现天线在高频工作时左旋圆极化辐射。天线采用 50的铜轴线来馈电，馈电点位置在正方形贴片的对角线上。图 4 天线驻波比随 L2 变化曲线天线在低频端的轴比主要取决于 LS1 和馈电点的位置，在高频段的轴比主要取决于 LS2 和馈电点的位置。经过优化设计，天线的具体参数如表 1。表 1 天线结构基本参数3结果与分析在 上 述 的 分 析 下 设 计 并了 工 作 于f1 = 1.26

8、GHz ， f2 = 1.61GHz 两个频段的天线，工作于 f1 = 1.26GHz 时 为 右 旋 圆 极 化 ， 工 作 于f2 = 1.61GHz 时为左旋圆极化。采用 HFSS 10.0 进行图 2 天线等效原理图由于天线的参数比较多，在确定初步设计时， 可以利用文献5中对于单片方形圆极化贴片天线设计公式计算天线各参数的初步值，得到初步值之后，了实物，如图 5 所示。对实物天线进，并行了测试，得到该天线工作于 f1、f2 时的驻波比如图6 所示，由图可知，天线在 1.26 1.275GHz ，·2·L1/mm56.8L2/mm45.4LS1/mm5.2LS2/mm

9、6WS1/mm2WS2/mm2Ex/mm11.6LG/mm80Ey/mm11.6h1/mm3h2/mm2.71.611.625GHz 两个频段内驻波比皆小于 2；图 5天线实物图图 7 天线的和实测轴比曲线采用 HFSS10.0，天线在两个频段上的增益如图 8 所示。由图可以看出，该天线在低频段的增益大于2.5dB ，在高频端的增益大于5dB ，这说明天线具有较高的辐射效率，但是，天线在高低两个频段的增益相差较大，这是由于在高频段，天线采用的是由探针直接馈电，故增益较高，而在高频段，天线采用的是电磁耦合馈电，故增益较低。图 6 天线的和实测驻波曲线和实测曲线如图 7天线的轴比所示，在1.26

10、1275GHz ，1.61 1.62GHz 内，天线的轴比皆小于 3dB；具有良好的圆极化性能。但是，实测曲线和曲线有一点偏差，这主要是由于测误差而引起的。误差和实图 8 天线的增益曲线天线在两个谐振频段上的9 所示、实测结果如图 10 所示。从结果如图和实测的方向图可以看出，天线的波束很宽，具有良好的广角性能，因此能适用于要求。手持终端的系统·3·图 10 天线的实测4结论本文采用层叠结构和单点馈电的方法设计了一种 双频 反向 圆极 化的 微带 天线 ， 该 天线在1.26 1.275GHz 频段内辐射右旋圆极化波，在 1.61 1.625GHz 频段内辐射左旋圆极化波，

11、且具有良好的广角圆极化性能。与传统的双频反向圆极化天线相比，该天线采用单点馈电，大大简化了天线结构，降低了制作成本。因此，这种天线具有良好的实用性和应用前景。图 9 天线的参 考 文 献1kai-Ping Yang and Kin-Lu Wong,Dual-band Circularly-Polarized Square Microstrip Antenna. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2001,49(3): 377382David M.Pozar and Sean M.Duffy, A Dual-Band Circularly

12、 Polarized Aperture-Coupied Stacked Microstrip Antenna for Global Positioning Satelite. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1997, 45(11): 16181625.Croq F, Papiernik A. Wideband aperture coupled microstrip antenna. Electron Lett , 1990 , 26(16) :12931294，双频双圆极化带天线实验设计。微波学报，2004，20（4），9092。

13、2345. 微带天线理论与应用M . 西安: 西安电子科技大学, 1991.作者简介：，男，主要研究领域为天线技术。·4·一种用于海事通信的微带阵列天线的设计杨宏春 2，成都 610054)1(电子科技大学应用物理摘 要：结合经验公式和双层结构，介质基片选择HFSS 对该阵列天线进行了软件，设计出了一种用于海事通信系统的圆极化微带阵列天线。天线采用材料，并采用正方形切角的方式实现圆极化。利用高频电磁软件 Ansoft优化。结果表明，该天线具有良好的宽频带特性，天线在整个海事通信工作频带内驻波比小于 1.5，同时天线的最大增益达到 13.5dB。：微带阵列天线，层叠贴片，圆极

14、化，驻波比Design of microstrip array antenna for maritime satellite communicationLiao Xuejie1Yang Hongchun2(Institute of Applied Physics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054)Abstract: A circularly polarized microstrip array antenna for maritime satelte communication w

15、as designed by combining the experimental formulae and the simulation software. A dual-layer structure was proposed, and the foam was chosen as the medium substrate, the antenna is circularly-polarized by corner-truncated square patch. The Antenna designed was simulated and optimized by HFSS. The si

16、mulation results show that this antenna has goodwideband characteristic. The impedance bandwith for VSWR<1.5 in the whole INMARSAT(International MaritimeSatellite Organization) communication work bands, and theal gain 13.5dB is also achieved.Key words: Microstrip array antenna; Stacked patch; Cir

17、cular polarization; VSWR加寄生贴片和采层、多层结构3，电容耦合馈电技术4，缝隙耦合馈电技术5，天线阵技术6等。1引言目前海事移动终端天线主要采用微带功分BGAN 是宽带全球局域网(Broadband Global网络对各阵元等功率馈电。由于使用微波介质材料Area Network)的英文缩写，是国际海事组织的成本较使用材料的成本高，为了克服这个缺(Inmarsat)提供的第四代全球移动通信系统。该点，本文设计了一种低成本、易并且符合BGAN频率分别为 15251559MHz 和系统的接收和业务要求的宽频带微带阵列天线。该天线采层1626.51660.5MHz。为了收发共

18、用一个天线，候选天线的工作频率应为 1525.01660.5MHz，其百分比正方形微带贴片天线的形式拓宽天线的阻抗带宽，采用切角的方式实现圆极化特性。带宽为 8.5%。海事通信天线采用微带天线的结构是一种合理的选择。这是由于微带天线具有地剖面、体积小、重量轻，并且较易实现圆极化和多频段工作等优点。然而常规的微带天线带宽较窄，无法满足这种要求。展宽带宽的方法很多，基本方法是降低微带基板材料的相对介点常数，增大微带基板的厚度，从而降低谐振 Q 值，其他的方法还有附2天线的结构和初步设计设计的单元天线结构如图 1 所示。上下两层贴片同心层叠放置。下层贴片作为激励单元，是边长为 l1、三角形切角直角边

19、长为 c1 的正方形，其谐振·5·Li dei频率较低。下层贴片作为寄生单元，是边长为 l2，三角形切角直角边长为 c2 的正方形，谐振频率较高。激励单元与地面之间是厚度为 d1、介电常数为e1 的介质。两贴片单元之间是厚度 d2、介电常数为e2 的介质。适当选择 l1、l2、c1、c2、d1、d2、e1、e2 等参数可调整这两个频率，使其适当接近，从而形成频带适应展宽的双峰谐振电路。上下两层介质均选用+ 0.264eei + 0.3eei - 0.258L = 0.412d（2）ieiLi+ 0.8deiìïe ' +1e ' -110

20、d- 12ïeei= ei+ ei(1+ei )22Liïïe低介电常数和提高增益。材料支撑并组成天线阵以展宽带宽' = e（3）íïïeïïîe1r1d' =e2e2d1d2+er1er 2ìde1 = d1íd（4）= d + dî e212其中，c 为自由空间中的光速，i=1 ,2。根据上述公式，选择介质基板的厚度和介电常数，便可以确定单元贴片的大小。然后利用全波分析软件Ansoft HFSS，对天线阵进行得到工程需要的参数要求。最后单元天线的设计参数如

21、下：l1=86mm, l2=76mm, c1=19mm, c2=17mm, d1=d2=6mm,e1=e2=1.05微带天线单元的增益一般只有 68dB。为了获得更大的增益，或为了实现特定的，常采用由微带辐射元组成的微带阵列天线。所以，这里采用 4 个单元天线来组成 2 乘以 2 的平面阵，设计的天线阵和功分网络示意图如图 2 所示。根据经验7，阵元间距为半个，增益特性比较好。但是天线单元之间互耦严重，可能影响阻抗匹配。单元间距大一些，可以减少互耦对天线阵性能的影响。天线采用并联等功率馈电，馈电网络和下层贴片位于图 1 天线单元结构示意图同一层。馈线的长度和宽度的初始值由 ADS软双层微带天线

22、阵的结构十分复杂，要得到精确的分析结果，必须用严格的全波分析法进行分析。然而在实际的工程中，往往利用一些经典公式1,2初件中的传输线计算工具算出。然后在 HFSS 软件中优化得到最后结果。步确定天线的，获得单元天线设计的起点。设激励单元和寄生单元的谐振频率分别为 f1 和 f2，贴片形状为正方形，则有ì fc=ï1L ) e2(L +ï11e1í（1）cï f=ï2L ) e2(L +î22e2·6·图 2 天线阵和馈电功分网络示意图图 4 天线在 1609MHz 的增益结果3天线阵的结果天线阵的回波损耗

23、S11结果如图 35 所示。图 3 是天线结果，在整个工作频带内，回波损耗大于 10dB，最低点出现在 1609MHz，与设计的中心频率 1590MHz 接近。由于设计的双峰频率接近，频带展宽后使得结果呈现。中心频率处的增益如图 4所示，天线具有较好的主瓣方向性，副瓣电平和后瓣电平都比较低，天线阵增益为13.5dBi。图 5 为中心频率处的轴比结果，从图中图 5 天线在 1609MHz 的轴比结果可以看到天线在 角从-60 度到+60 度的范围内轴比小于 6dB，在工程上可以认为是圆极化的工作方式。4结论设计了一种应用于 BGAN 通信系统下的地面移动终端天线，天线在整个海事通信工作频带内有较

24、好的特性，驻波比小于 1.5，增益高于 13dB。该平面阵列天线具有成本低廉，简单，适合大批量生产制作等优点，其结构很容易与载体的表面融为一体。例如，可贴在物的外表面上，和船舶、车辆、飞机等交通工具的外壳上。图 3 天线回波损耗结果参 考文 献123.微带天线理论与应用M.西安:西安电子科技大学,1991.,.微带天线圆极化技术概述与进展J.电波科学学报,2002,17(4):331-336.LIU Z F, KOOIPS, LI L W,. A method for designing broad-band micro-strip antennas in multilyaered plann

25、ar structuresJ.IEEE Trans on Antennas and Propagation, 1999, 47(9): 1416-1420.Kin-Lu Wong and Tzung-Wern Chiou Broad-band single-patch circularly polarized micro- strip antenna with dual capacitively coupled feedsJ. IEEE Trans. on Antennas and Propa-gation 2001, 49(1): 41-44.4·7·5STEPHEN D

26、. Design of wideband circularly polarized apertune-coupled microstrip antennaJ. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1993, 41(2):214-220.L E Garcia-Castillo, J Grajal de la Fuente, G G Gentili, et al. Receiving stacked patch array antenna for satellite mobilecommunications in L-bandC. IEEE

27、 Electrotechnical Confe-rence,1996:1389-1392.67,秀珍,等. 天线与电波M. 大连海事大学. 2002作者简介：，男，生，主要研究领域为电磁场与微波技术。杨宏春，男，副教授、生导师，主要研究领域为电磁场与微波技术等。·8·分形圆极化双频微带天线林澍 1，2祥 32222(哈尔滨工业大学电子科学与技术博士后科研站，哈尔滨 150080)1；(哈尔滨工业大学电子与信息工程学院，哈尔滨 150080)2；(哈尔滨工业大学微电子科学与技术系，哈尔滨 150080)3摘 要：研究了一种单馈点右旋圆极化双频微带天线。通过双层贴片实现双频，微

28、带贴片采用 Crown 方形分形结构，通过激励起两个相互正交的简并模实现圆极化。采用 CST MWS®软件进行，结果表明在微带贴片的对角线区域用探针馈电，可以实现圆极化辐射。用 FR4 材料做介质基片制作了天线实物并进试，该双频天线在 1.616GHz 和 2.49GHz 两个频点处，阻抗带宽(VSWR<2)为 2.4%，6dB 轴比带宽为 2%，增益 0dB 以上，实验结果与结果基本吻合。：微带天线，圆极化，分形，双频A Fractal Circular-Polarization and Dual-Frequency Microstrip AntennaLin Shu1,2H

29、an Xue2Li Wen Jun2Yang Cai Tian2Qiu Jing Hui2 Wang Jinxiang3(Electronic Science and Technology post-doctoral research center, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150080, China)1；(School of Electronics and Information Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150080, China)2； (Departme

30、nt of Microelectronics Science and Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150080, China)3Abstract: A right circular-polarization and dual-frequency microstrip antenna with single feeding point is presented. Double-patch is used to achieve dual-frequency. The microstrip patch has Crown f

31、ractal structure which generates two orthogonal modes to realize circular polarization. The antenna is simulated on the software CST MWS®. The simulation results show that the antenna can realize the characteristic of circular-polarization with the feeding position around the diagonal line of t

32、he patch. The antenna is manufactured on FR4 board and measured. The experimental results show that the antenna work at 1.616GHz and 2.49GHz, the impedance bandwidth (VSWR <2) up to 3%, 6dB axial ratio bandwidth of 2%, gain more than 0dB, the experimental results coincide with the simulation resu

33、lts.Keywords: Microstrip Antennas; Circular-Polarization; Fractal; Dual-Frequency微带天线实现圆极化的条件是，通过馈电激励起两个极化方向正交的、幅度相等的、相位相差 90° 的线极化波。当前微带天线实现圆极化主要有三种方法，分别是单馈点法2、多馈点法3和多元法4。单馈点法基于空腔模型理论，利用简并模分离元产生两个正交极化的简并模。多馈点法采用多个馈点馈电，由馈电网络实现圆极化工作条件。多元法使用多个线极化辐射元，原理与多馈点法相似，只是将每一馈点分别对一个线极化辐射元馈电。1引言微带天线具有体积小、重量轻

34、、低剖面、易于集成和制造等优点，在通信、等多个领域获得了广泛应用。而圆极化微带天线在当前的应用愈加广泛。圆极化天线可接收任意线极化的来波，且其辐射波也可由任意线极化天线收到，故电子侦察和干扰中普遍采用圆极化天线 1。·9·本文结合微带天线及分形技术的优点，研究并设计了形式的 Crown 方形分形双频圆极化微带天线。利用 CST MWS®软件对可用于“北斗”系统0的双频圆极化微带天线进行了建模，制作了相-5-10应的天线并做了测试，考虑到天线的实用化，对天线做了结构调整。实验结果表明该天线工作在1.616GHz 和2.49GHz 处，阻抗带宽(VSWR<2)达

35、3%，-15-20-25-306dB 轴比带宽为 2%，增益 0dB 以上，与合，可满足“北斗”系统要求。结果吻-3511.52freq.(GHz)2.53图 2 天线 1 和 2 的反射损耗结果2双频微带天线单元的设计 对于 2 阶分形贴片来说，由式(1)可知，贴片边长确定之后，内部的结构也就确定下来，而贴片边长与通带的中心频率对应介质波长的关系如(2)式：Crown 分形微带天线5-6贴片结构如图 1 所示。图中给出了 Crown 分形贴片的生成过程，逐次将边长为前次分形结构一半的图形内嵌，最终形成一种L = 0.42lg（2）自相似的分形结构，其中灰域为金属贴片，白由此式即可调整天线的工

36、作频点，这与普通微带贴片天线类似。 贴片采用 Crown 方形分形结构可以形成两个正交的简并模 TM01 模和 TM10 模，在贴片上选择适当的位置馈电，使这两个模式具有等幅度和 90°相位差，从而能够实现圆极化。这一圆极化方式可域为空白区。设最外层贴片边长为 L，经过 n 次迭代，中心方形的边长 ln 满足7Ll =（1）nn22 -1将分形贴片印刷于相对介电常数e =2.32、厚度r为 3mm 基板的一面，另一面为地板，用 50 欧姆的以通过对贴片通频带附近的圆图得到验同轴探针馈电，即了Crown 方形分形微带天线。证，如图 3 所示，圆图阻抗曲线上的尖端说分别设计上述结构的工作

37、频率为 1616MHz 和2490MHz 的两个圆极化微带天线，天线的结构参数明在此处产生了两个简并模，这种情况所产生的圆极化往往带宽较窄。列于表 1 中，电参数的结果列于图 2 中。在仿没有考虑导体和介质损耗。LYX初始1阶2阶Lx结构图a) 天线 1 b) 天线 2图 1 Crown 方形分形微带天线贴片的结构图 3圆图阻抗随频率变化曲线结果表 1 中的数据是利用CST MWS®软件对Crown结果表明：利用 50 欧姆同轴探针馈电时，馈电位置在方形贴片对角线附近天线的圆极化带宽会显著增加，选取其他位置则圆极化带宽很窄。经方形分形微带天线进行的基础之上得到的，通过研究可以得出如下

38、规律：表 1 微带天线单元的参数优化本文选取表 1 中的馈电位置使圆极化带过宽达到最宽。 图 1 中所示的馈电结构为右旋圆极化天线， 在其关于 x 轴或 y 轴的对称点处馈电则为左旋圆极化天线。 在文献6中采用改变贴片长宽比可对其圆·10·LyLReturn Loss(dB)O参数天线 1(1616MHz)天线 2(2490MHz)介质板边长70mm50mmL49.7mm32.5mmL51.8mm33.9mmLx6.5mm4.2mmLy6.5mm4.2mmAnt.1Ant.2相对带宽3.85%3.98%贴片电0.42g0.42g极化特性进行改进，根据其中结论本文采用长宽比为

39、 1.04 的贴片进行优化。0-2-4-6-83双频微带天线的设计根据以上对于天线结构的研究结果和“北斗”卫星导航通信的要求，确定天线设计指标如下：-10-12-14-16-18天线工作频带为 1616±10MHz和11.52freq.(GHz)2.532490±10MHz ；右旋圆极化；轴比优于 6dB；圆极化增益优于 0dBi。图 5双频右旋圆极化微带天线的反射损耗在第 2 部分的基础之上，采用如图 4 所示的天线结构。两层介质板的相对介电常数均为 4.5， 其中贴片 1 既充当辐射贴片又起到贴片 2 地板的作用，可以实现微带天线的双频特性。由于两个贴片之间的相互影响以

40、及贴片 1 的分形结构，将第 2 部分设计的贴片 1 和 2 直接层叠馈电后会导致频率偏100-10AR(phi 0)AR(phi 90)Gain(phi 0)Gain(phi 90)-20-30-40-50移，还需要进行调试，调试的内容如下：上-60-180-120-60060theta (deg.)120180下贴片的相对位置；上下贴片的边长；馈电位置；介质板。最终通过 CST所得到的天a)f=1616MHz线结构参数列于表 2 中结果列于图 5图 6 中。1050-5-10-15-20-25-30-35-40天线在 1616MHz 的频带宽度为 31MHz（1.9%），轴比-2.6dB，

41、2490MHz 的频带宽度为 55MHz（2.2%），轴比-2.8dB，满足指标要求。y介质1贴片1-180-120-600theta (deg.)60120180(xf yf)(xp yp)xOb)f=2490MHz贴片2lp2介质2图 6双频右旋圆极化微带天线的轴比和增益ls2lp1ls14实验结果(a) 双频天线的顶视图根据上述结果，采用 FR4 敷铜板制作了天探针线如图 7 a)所示，考虑到天线的加固问题，在上层介质板两侧延伸出一条加固带，并用介质螺丝将上下两个介质板固定，证明不影响天线性能，天线(b) 双频天线的侧视图测试结果见图 7。图 4 分形圆极化双频微带天线模型0-2-4-6-8-10-12-14-16-18表 2 微带天线的参数（：mm）11 52freq.(GHz)2 53·11·ws1wp1ws2H1wp2H2dBReturn Loss(dB)dBReturn Loss(dB)参数数值参数数值参数数值ls160ls236xp1 5ws160ws236yp4.8lp136.5lp224.2xf4.7Simu. Mesu.AR(phi=0)AR(phi=90) Gain(phi=0)Gain(phi=90)wp137.6wp225 2yf8.0H13H23a) 天线实物b) 反射损耗测试结果1050-5-10AR(