一種低剖面輕型化E形微帶天線的研制.docx

1、Vol.14No.16Jun.2014©2014Sei.Tech.Engrg.科學(xué)技術(shù)與工程ScienceTechnologyandEngineering一種低剖面輕型化E形微帶天線的研制張光生王玉峰常雷(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第36研究所，珞興314033)摘要研制了一種低剖面輕型化的E形微帶天線。E形微帶天線的電性能特性與介質(zhì)層的厚度關(guān)系密切，通過分析天線剖而與帶寬的關(guān)系，設(shè)計(jì)出兼顧低刮面和寬帶特性的E形微帶天線；通過微帶線饋電方便了天線輸出位置的設(shè)定，提高了天線設(shè)計(jì)的靈活性；將天線底板側(cè)邊折彎以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)隋性，并擴(kuò)展天線的地面尺寸改善天線增益。對(duì)設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行實(shí)物加工、測(cè)試，在0.

2、0326入剖面高度條件下獲得了超過10%的相對(duì)帶寬，天線增蒼大于5dBi；同時(shí)天線具境小型化和輕型化的特點(diǎn)。關(guān)健詞E形微帶天線低制面小型化輕型化中圖法分類號(hào)TN822.80441；文獻(xiàn)標(biāo)志碼A微帶天線因其成本低、剖面低、重盡輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用各種通信系統(tǒng)中，但進(jìn)一步的發(fā)展卻受制其較窄的帶寬,研究人員提出了貼片表面開槽U幻的方法構(gòu)造雙頻諧振特性，從而獲得寬帶型微帶天線，這其中最為經(jīng)典的就數(shù)E形微帶天線。近年來，研究人員在對(duì)E形微帶天線的性能研究中,大多以擴(kuò)展阻抗帶寬為目的，單層E形微帶天線的阻抗帶寬能達(dá)到30%以上，層疊結(jié)構(gòu)的E形微帶天線的阻抗帶寬可達(dá)40%以上16°但這些E形微帶

3、天線都是采用厚介質(zhì)基板，并未考慮對(duì)天線剖面的降低設(shè)計(jì)。然而，天線剖面高度的降低通常是伴隨著阻抗帶寬的變窄，而在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)遇到阻抗帶寬要求不是那么寬，但對(duì)于天線的剖面要求盡可能低的情況，這就要求天線設(shè)計(jì)的時(shí)候要綜合考慮剖面高度、阻抗帶寬、增益、波束寬度、背瓣等多重因素。為了實(shí)現(xiàn)兼顧剖面高度、阻抗帶寬、增益、波束寬度、背瓣要求的E形微帶天線，本文對(duì)不同剖面高度的E形微帶天線的帶寬、增益特性進(jìn)行比較分析，給出了文中特定形式的E形微帶天線在不同剖面高度時(shí)可以獲得的阻抗帶寬參考值，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種0.0326A剖面高度的E形微帶天線，具有10%的相對(duì)阻抗帶寬，大于5dBi的天線增益。由于提

4、出的天線的尺寸較小，具有較高的背瓣，文中針對(duì)2Ax2A的較大安裝平臺(tái)進(jìn)行了仿真分析，該安裝平臺(tái)對(duì)天線的電壓駐波比、增益和波束寬度值影響較小，可獲得小于-17dB的背瓣。2013年12月20日收到第一作者簡(jiǎn)介：張光生(1974-),男，浙江浦江人，高級(jí)工程現(xiàn)。研究方向:微波天線設(shè)計(jì),天線小型化。E-mail：wy(820925。1天線結(jié)構(gòu)本文天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。該天線主要由底板、印制E形貼片的印制板和饋電探針三部分組成。E形輻射貼片忙乙、寬W,加載的兩條相互平行的窄縫長(zhǎng)心、寬吧，兩縫間距為+0.5肌。E形貼片通過寬吧的金屬帶條與饋電探針相連，圖1中是用L形的金屬印制帶條連接，當(dāng)然也可以用斜直線、

5、圓弧線形金崩帶條連接。印制板厚度為，其與地板間距為H。J底板_E形貼片QzIt|H，饋電探針底板圖1天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1Configurationofantenna如圖1(a)所示,E形天線通過L形的金屬印制帶條連接E形貼片天線與饋電探針，這就方便了實(shí)際天線使用中遇到的射頻輸出位置選擇的問題，避免了用電纜走線帶來的額外空間要求;除此之外，該金屬印刷帶條與底板之間組成了微帶線結(jié)構(gòu)，可以起到一定的改善阻抗匹配作用，對(duì)天線的帶寬的拓展有一定的好處。2天線原理E形微帶天線通過在矩形微帶天線的表面開兩條窄縫來改變其表面的電流分布，在矩形微帶天線的基礎(chǔ)上產(chǎn)生另外一條電流路徑，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)諧振頻率，通過調(diào)節(jié)

6、開縫的位置和尺寸,將兩個(gè)諧振頻率調(diào)節(jié)到合適的相鄰位置,構(gòu)造出了雙峰諧振特性，從而獲得了天線的寬頻帶特性，其等效電路如圖2所示。圖2E形貼片的雙電流路徑及其等效電路圖Fig.2DoublecurrentpathsofE-shapedpatchandequivalentcircuitdiagram圖2中的等效電路(a)和(b)分別對(duì)應(yīng)了E形微帶天線的較高諧振頻率(./；)和較低諧振頻率0)的等效電路,(a)與普通矩形貼片的等效電路相似,電流直接沿貼片的寬度方向流動(dòng)，對(duì)應(yīng)E形貼片天線中間部分的直線型電流路徑，并決定了/，和C的取值，可用來確定兒；在矩形貼片上加載了兩條相互平行的雙條窄縫，因其而產(chǎn)牛.

7、的圍繞著縫隙的流動(dòng)電流路徑，該電流路徑較長(zhǎng),對(duì)應(yīng)若在圖2(a)中附加了一個(gè)電感增量/，,形成了如圖2(b),可用來確定了7；。通過調(diào)節(jié)和兩個(gè)諧振頻率的相鄰程度，可以形成雙峰諧振特性，從而構(gòu)造出寬頻帶特性。人和7；可以由圖1中E形天線的各部分尺寸大致確定，其表達(dá)式如下(0(071A,2(L,x2+吧)fC。_C。人-人h一2陽式中,C。是光速(3xl08是等效介電常數(shù),兀是/對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)人是。對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。圖1中的等效介電常數(shù)G可以通過介質(zhì)基板介電常數(shù)(馬)和空氣層介電常數(shù)(=1)的綜合計(jì)算得到.其近似計(jì)算式口1為(2)C。本文天線的介質(zhì)板選用低成本的FRT,其標(biāo)稱介電常數(shù)&為4.4,將參數(shù)

8、代入式(3)可得e/+0.227()根據(jù)式(4),當(dāng)/從3mm變化到8mm,則等效介電常數(shù)5的值從1.24變化到1.09。3天線參數(shù)分析及設(shè)計(jì)實(shí)例X寸于頻率范圍1.41.55GHz的設(shè)計(jì)實(shí)例，按照E形天線典型的雙底型電壓駐波比曲線，設(shè)計(jì)兩個(gè)鄰近諧振頻率分別為山=1.44GHzJ；=1.51GHz。通過式(1)和式(2),設(shè)計(jì)了為5、6.5、8時(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1。表1本文天線在不同H值時(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)(mm)序號(hào)HW1586.4543.626.589.5545.23891.1546.0Table1DesignparameterwithdifferentHvaluesofthepresentante

9、nna(mm)由表1參數(shù)代入到圖1的天線模型中"值的大小可暫取。5A,代入，通過仿真電壓駐波比值及范圍進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，故乙的初值取為90mm。對(duì)圖1中各參數(shù)優(yōu)化設(shè)汁后，可得電壓駐波比曲線如圖3。圖3本文天線實(shí)例在不同H值下的電壓駐波比曲線Fig.3VSWRcurveswithdifferentIIvaluesofthepresentantennaexample由圖3可知，在天線剖面高度較低的情況下，隨若天線體與底板間距的增加，天線的阻抗帶寬也會(huì)隨之增加，n.電壓駐波比值也會(huì)相對(duì)較好。在本文給出的該型天線的實(shí)際應(yīng)用中,經(jīng)常會(huì)遇到限定了安裝空間和射頻輸出口的位置的設(shè)計(jì)要求，為此，不得不在限

10、定的尺寸情況下進(jìn)行天線的設(shè)計(jì)，并且要滿足增益、波束寬度、后瓣電平等多方面的綜合指標(biāo)要求，同時(shí)，天線罩也會(huì)對(duì)天線的性能造成一定的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)就要進(jìn)行綜合考慮。本文的設(shè)計(jì)實(shí)例的輸入條件如下：1）工作頻率：（1.41.55）GHzo2）電壓駐波比：2。3）增益：N5dBio4）安裝空間：110mmx88mmx9mm（長(zhǎng)x寬x高）o5）射頻輸出位置：以中心點(diǎn)，坐標(biāo)（52mm,30mni）°6）天線罩材料:玻璃鋼，厚度2mm。4天線仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果4.1天線實(shí)例仿真設(shè)計(jì)及性能分析根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)例的輸入條件，天線安裝空間僅相當(dāng)于0.51Ax0.41AxO.037A（A為低端波長(zhǎng)）的電尺寸空間，天線與

11、天線罩的間距很小，僅能保證1mm左右的間隙，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮天線罩的影響。按照表1中H=5mm間距情況的參數(shù)進(jìn)行了仿真優(yōu)化，最終得出了符合要求的天線參數(shù):H=5mm、“=78mm、L=68.5mm、虻=4.5mm、L,=35.5mm,印制板底板大小為108mmx86mm,考慮到天線要求較低的剖面高度，除了減小間距外,底板的以度也要盡可能的薄，為此選用1mm的底板以度的鋁板，并對(duì)天線底板的側(cè)面折邊處理以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛性，并用了9個(gè)非金狷的支撐柱固定底板與印制板，其結(jié)構(gòu)如下圖:(b)1.52GHz圖5低、高端諧振頻率的電流分布圖Fig.5Currentdistributingfiguresof

12、thelowandhighresonantfrequencies圖6設(shè)計(jì)實(shí)例的仿真.電壓在波比曲線圖Fig.6SimulatedVSWRgraphofthedesignexample(a)I41GHz的范圍為1.41.56GHz,滿足設(shè)計(jì)要求，相對(duì)帶寬為10.8%o考慮到設(shè)計(jì)實(shí)例的安裝尺寸較小，具有小型化的特點(diǎn)，底板是經(jīng)過折邊的，折邊高度為3mm,圖5中給出了有無折邊情況的電壓駐波比仿真曲線；同時(shí)由于考慮設(shè)計(jì)實(shí)例安裝于2Xx2X的較大安裝平臺(tái)上，圖5給出了安裝情況下的仿女電壓駐波比ffip直炸安本文天?£無折邊天線本文天線安裝在以邊長(zhǎng)底板上頻率/GHzO«|5O-5O-13

13、2廿器投莊圖7設(shè)計(jì)實(shí)例的仿真增益曲線圖Fig.7Simulatedgaingraphofthedesignexample束:寬度變窄，從而能夠提升增益，這也與圖7中的結(jié)果相吻合。-15-20-180-135-90-4504590135180角度/度圖8設(shè)計(jì)實(shí)例的仿真方向圖Fig.8Simulatedpatternsofthedesignexample由圖6、圖7、圖8中天線有無折邊對(duì)電性能綜合影響分析，折邊會(huì)改善天線的低端增益,抑制背瓣電平，吐對(duì)天線電壓駐波比影響不大,所以選擇了折邊情況作為本文天線的設(shè)計(jì)實(shí)例的最終方案。圖9給出了本文天線在:安裝于較大底板后的后瓣情況仿真曲線，安裝后對(duì)后瓣的改

14、善較大，后瓣主圖9設(shè)計(jì)實(shí)例背瓣i:瓣比的仿真曲線Fig.9Simulatedgraph<>ftheback-frontratioofthedesignexampleEQp/e裕B4X4.2天線實(shí)測(cè)結(jié)果及分析對(duì)圖4天線進(jìn)行了實(shí)物加工，經(jīng)過調(diào)試使得天線的阻抗帶寬與指標(biāo)相吻合。采用AgilentE5062A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，圖10給出了本文天線的實(shí)測(cè)電壓駐波比曲線,天線在(1.41.55)GHz的VSWR<2,相對(duì)帶寬10.8%。圖10天線電壓駐波比的實(shí)測(cè)曲線Fig.10MeasuredVSWRgraphoftheantenna寬帶E形微帶天線的阻抗帶寬通?？蛇_(dá)30%以

15、上，但都是厚基板型，其剖面高度通常在0.1入(低端波長(zhǎng))以上，文獻(xiàn)8給出的低剖面£形天線的剖面高度為0.0344入，獲得9.5%的阻抗帶寬。而本文天線的剖面高度僅為0.0326入，獲得了10.8%的阻抗帶寬，天線體與底板的間距僅為0.0233入。在電波暗室對(duì)實(shí)物天線進(jìn)行了增益和方向圖測(cè)試，得到如圖11所示的天線增益曲線和圖12所示的天線在1.4GHz、1.48GHzJ.55GHz處的H面和E面方向圖。由圖11的天線增益曲線可知，天線在阻抗帶寬內(nèi)的增益均大于5dBi,平均增益在6dBi左右。1351.41.45151.551.6犢率心Hz圖11天線實(shí)測(cè)增益曲線Fig.11Measure

16、dGaingraphoftheantenna由圖12(a)給出的H面方向圖的波束寬度相當(dāng)，在80。85。范圍內(nèi)，低端的方向圖往右側(cè)傾斜(饋點(diǎn)方向)，這是由于饋電微帶導(dǎo)致的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的;如圖12(b),天線的E面方向圖形狀在給出的頻點(diǎn)較一致，波束寬度變化不大，在58。68。范圍內(nèi)，低端天線的方向圖往右側(cè)(饋點(diǎn)方向)傾斜,也是山于饋電微帶導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不對(duì)稱造成的。圖12天線實(shí)測(cè)E面和H面方向圖Fig.12MeasuredpatternsofEandHplanes本文實(shí)物天線由于尺寸小、剖面低，在研制的時(shí)候?yàn)榱吮苊獬霈F(xiàn)局部的突起而導(dǎo)致整體剖面的增加，完全杜絕了金屬緊固件的應(yīng)用，對(duì)于需要連接的地方采用

17、環(huán)氧樹脂膠接的方式，因此，天線具有輕型化的特點(diǎn)，整個(gè)天線重量約58go5結(jié)論本文對(duì)E形微帶天線的低剖面和寬，帶特性進(jìn)行分析，通過仿真實(shí)例驗(yàn)證了天線的寬帶特性受制于其剖面高度;通過仿真實(shí)例的設(shè)計(jì)優(yōu)化，得到較小的特定安裝環(huán)境下滿足指標(biāo)要求的天線的參數(shù)，為了增強(qiáng)地面的剛性，對(duì)天線底板進(jìn)行折邊處理，并仿真分析了天線折邊對(duì)綜合典型的提升，同時(shí)對(duì)天線裝于較大平臺(tái)上電性能的變化進(jìn)行了仿真分析;對(duì)天線實(shí)物測(cè)試，獲得r超過io%的阻抗帶寬，增益>5dBi,天線的剖面高度僅為0.0326人；同時(shí)天線具有輕型化的特點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1 WeigandS,HuffGH,PanKH,elal.Analysisandde

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23、P.R.China)AbstractAE-shapedmicrostripantennawithlowprofileandlightweightisdesignedandmanufactured.AccordingtothemostlyrelatedanalysisofE-shapedantenna'selectricalperformanceandprofilethickness,theantennadesignattentionpaystobothlowprofileperformanceandbroadbandcharacter.Themicrostirplinefeedingm

24、ethodisconvenieniewtforoutputpositionsetting,whichmakestheantennadesignhandier.Thesideoftheantennagroundispuckeredtostrengthentheantennastructureandexpandthesizeforenhancingtheantennagain.Aftermanufactureandmeasurementofthedesignantenna,over10%relativeimpedancebandwidthisachievedandantennagainismorethan5dBi.Theantennaalsohasthecharactersofminiaturesizeandlightweight.KeywordsE-shapedantennalowprofileminiaturelightweight(上接第71頁)AnIntegrityMonitoringAlgorithmBasedonShewhartControlChartYANGLei-jun11GUOCheng-jun