經(jīng)典知識(shí)學(xué)習(xí)天線集2009年會(huì)集

1、一種新型雙頻雙圓極化微帶天線盧春蘭 1彭川 11,2（理工大學(xué)通信，南京 210007）1（）293975摘 要：本文給出了一種新型雙頻反向圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)。該天線采用貼片層疊結(jié)構(gòu)和單點(diǎn)饋電。和測(cè)試結(jié)果表明，該天線在工作頻段內(nèi)具有良好的輸入特性和輻射特性，并且具有較好的廣角圓極化性能。：雙頻，雙圓極化，單點(diǎn)饋電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獻(xiàn)。本文基于上述背景，提出了一種采用單點(diǎn)饋電實(shí)現(xiàn)雙頻反向圓極化的雙頻微帶天線形式，利用層疊貼片來(lái)實(shí)現(xiàn)雙頻工作，上層貼片采用探針直接饋電，下層貼片通過(guò)電磁耦合饋電，利用在貼片上開(kāi)槽來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的圓極化。整個(gè)天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于1引言近年來(lái)，微帶天線由于具有小，成本低，易實(shí)現(xiàn)圓極化等優(yōu)點(diǎn)在通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在通信系統(tǒng)中，

4、一般要求天線能實(shí)現(xiàn)雙頻工作，并具有良好的圓極化性能。目前，已研制出多種天線形式，在實(shí)現(xiàn)雙頻工作的同時(shí)，保證具有良好的圓極化性能，特別是應(yīng)用于 GPS 手持終端的天線，已經(jīng)有了很多的研究。但是，在實(shí)現(xiàn)天制作，和測(cè)量結(jié)果表明，該天線完全能應(yīng)用于通信手持終端。2天線設(shè)計(jì)線雙頻反向圓極化的性能中，大部分天線采點(diǎn)饋電，并且用功分移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的雙頻反向圓極化性能，如文獻(xiàn)14，這種設(shè)計(jì)方式無(wú)疑增加了天線的復(fù)雜程度，提高了天線的制作成本。而單點(diǎn)饋電圓極化微帶天線無(wú)需功分器、移相器等正交饋天線的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。該天線由工作在兩個(gè)頻段的方形微帶貼片層疊起來(lái), 形成雙頻圓極化天線。物理較小的微帶貼片放在上層

5、，物理電網(wǎng)絡(luò)，用作相天線單元時(shí)，其復(fù)雜的饋電網(wǎng)較大的微帶天線放在下層。探針通過(guò)下層貼片上的鉆孔連接到上層貼片上，下層貼片是上層貼片的寄生單元，通過(guò)上層貼片電磁耦合饋電。上層貼片輻射較高頻率，下層貼片輻射較低頻率，上層的貼片格可以得到有效簡(jiǎn)化，雖然現(xiàn)在對(duì)于單饋點(diǎn)的雙頻同向圓極化的微帶天線有一些研究，但對(duì)于單饋點(diǎn)雙頻反向圓極化的微帶天線卻很少見(jiàn)到相關(guān)的文·1·輻射時(shí)，下層貼片作為它的接地面；下層貼片輻射時(shí)，上層貼片作為電感性耦合元件，天線的等效原理圖如圖 2 所示，f1、f2 分別為兩個(gè)貼片的諧振頻率。天線上下介質(zhì)均采用介電常數(shù)e = 3.5 ，損耗角正切tans = 0.00

6、1 的F4B-2 材料，上層介質(zhì)和下層介質(zhì)的厚度分別為h1，h2。采用基于有限元法的商業(yè)軟件Ansoft HFSS10.0 對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行，得到了一些有用的結(jié)果。通過(guò)大量的發(fā)現(xiàn)，天線在低頻端的諧振頻率主要取決于 L1，在高頻端的諧振頻率取決于參數(shù) L2，天線的駐波比隨L1，L2 的變化關(guān)系如圖 3，圖 4 所示。圖 3 天線駐波比隨 L1 變化曲線圖 1 天線結(jié)構(gòu)圖單點(diǎn)饋電的圓極化微帶天線利用簡(jiǎn)并分離元微擾技術(shù), 在普通圓形微帶天線的基礎(chǔ)上, 加入微擾, 形成簡(jiǎn)并分離，適當(dāng)調(diào)節(jié)微擾量, 使天線產(chǎn)生兩個(gè)正交極化波的簡(jiǎn)并模, 其中一個(gè)模電壓的相位比另一個(gè)模的模電壓超前 90°，這樣在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)

7、就形成了圓極化。本文采用在方形貼片上開(kāi)槽的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)圓極化輻射，其中，在下層貼片上沿 x 軸方向開(kāi)槽， 如圖 1（a）所示，以實(shí)現(xiàn)在低頻工作時(shí)的右旋圓極化輻射；在上層貼片上沿 y 軸方向開(kāi)槽，如圖 1（b） 所示，以實(shí)現(xiàn)天線在高頻工作時(shí)左旋圓極化輻射。天線采用 50的銅軸線來(lái)饋電，饋電點(diǎn)位置在正方形貼片的對(duì)角線上。圖 4 天線駐波比隨 L2 變化曲線天線在低頻端的軸比主要取決于 LS1 和饋電點(diǎn)的位置，在高頻段的軸比主要取決于 LS2 和饋電點(diǎn)的位置。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，天線的具體參數(shù)如表 1。表 1 天線結(jié)構(gòu)基本參數(shù)3結(jié)果與分析在 上 述 的 分 析 下 設(shè) 計(jì) 并了 工 作 于f1 = 1.26

8、GHz ， f2 = 1.61GHz 兩個(gè)頻段的天線，工作于 f1 = 1.26GHz 時(shí) 為 右 旋 圓 極 化 ， 工 作 于f2 = 1.61GHz 時(shí)為左旋圓極化。采用 HFSS 10.0 進(jìn)行圖 2 天線等效原理圖由于天線的參數(shù)比較多，在確定初步設(shè)計(jì)時(shí)， 可以利用文獻(xiàn)5中對(duì)于單片方形圓極化貼片天線設(shè)計(jì)公式計(jì)算天線各參數(shù)的初步值，得到初步值之后，了實(shí)物，如圖 5 所示。對(duì)實(shí)物天線進(jìn)，并行了測(cè)試，得到該天線工作于 f1、f2 時(shí)的駐波比如圖6 所示，由圖可知，天線在 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 兩個(gè)頻段內(nèi)駐波比皆小于 2；圖 5天線實(shí)物圖圖 7 天線的和實(shí)測(cè)軸比曲線采用 HFSS10.0，天線在兩個(gè)頻段上的增益如圖 8 所示。由圖可以看出，該天線在低頻段的增益大于2.5dB ，在高頻端的增益大于5dB ，這說(shuō)明天線具有較高的輻射效率，但是，天線在高低兩個(gè)頻段的增益相差較大，這是由于在高頻段，天線采用的是由探針直接饋電，故增益較高，而在高頻段，天線采用的是電磁耦合饋電，故增益較低。圖 6 天線的和實(shí)測(cè)駐波曲線和實(shí)測(cè)曲線如圖 7天線的軸比所示，在1.26

10、1275GHz ，1.61 1.62GHz 內(nèi)，天線的軸比皆小于 3dB；具有良好的圓極化性能。但是，實(shí)測(cè)曲線和曲線有一點(diǎn)偏差，這主要是由于測(cè)誤差而引起的。誤差和實(shí)圖 8 天線的增益曲線天線在兩個(gè)諧振頻段上的9 所示、實(shí)測(cè)結(jié)果如圖 10 所示。從結(jié)果如圖和實(shí)測(cè)的方向圖可以看出，天線的波束很寬，具有良好的廣角性能，因此能適用于要求。手持終端的系統(tǒng)·3·圖 10 天線的實(shí)測(cè)4結(jié)論本文采用層疊結(jié)構(gòu)和單點(diǎn)饋電的方法設(shè)計(jì)了一種 雙頻 反向 圓極 化的 微帶 天線 ， 該 天線在1.26 1.275GHz 頻段內(nèi)輻射右旋圓極化波，在 1.61 1.625GHz 頻段內(nèi)輻射左旋圓極化波，

11、且具有良好的廣角圓極化性能。與傳統(tǒng)的雙頻反向圓極化天線相比，該天線采用單點(diǎn)饋電，大大簡(jiǎn)化了天線結(jié)構(gòu)，降低了制作成本。因此，這種天線具有良好的實(shí)用性和應(yīng)用前景。圖 9 天線的參 考 文 獻(xiàn)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，雙頻雙圓極化帶天線實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。微波學(xué)報(bào)，2004，20（4），9092。

13、2345. 微帶天線理論與應(yīng)用M . 西安: 西安電子科技大學(xué), 1991.作者簡(jiǎn)介：，男，主要研究領(lǐng)域?yàn)樘炀€技術(shù)。·4·一種用于海事通信的微帶陣列天線的設(shè)計(jì)楊宏春 2，成都 610054)1(電子科技大學(xué)應(yīng)用物理摘 要：結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式和雙層結(jié)構(gòu)，介質(zhì)基片選擇HFSS 對(duì)該陣列天線進(jìn)行了軟件，設(shè)計(jì)出了一種用于海事通信系統(tǒng)的圓極化微帶陣列天線。天線采用材料，并采用正方形切角的方式實(shí)現(xiàn)圓極化。利用高頻電磁軟件 Ansoft優(yōu)化。結(jié)果表明，該天線具有良好的寬頻帶特性，天線在整個(gè)海事通信工作頻帶內(nèi)駐波比小于 1.5，同時(shí)天線的最大增益達(dá)到 13.5dB。：微帶陣列天線，層疊貼片，圓極

14、化，駐波比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加寄生貼片和采層、多層結(jié)構(gòu)3，電容耦合饋電技術(shù)4，縫隙耦合饋電技術(shù)5，天線陣技術(shù)6等。1引言目前海事移動(dòng)終端天線主要采用微帶功分BGAN 是寬帶全球局域網(wǎng)(Broadband Global網(wǎng)絡(luò)對(duì)各陣元等功率饋電。由于使用微波介質(zhì)材料Area Network)的英文縮寫(xiě)，是國(guó)際海事組織的成本較使用材料的成本高，為了克服這個(gè)缺(Inmarsat)提供的第四代全球移動(dòng)通信系統(tǒng)。該點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種低成本、易并且符合BGAN頻率分別為 15251559MHz 和系統(tǒng)的接收和業(yè)務(wù)要求的寬頻帶微帶陣列天線。該天線采層1626.51660.5MHz。為了收發(fā)共

18、用一個(gè)天線，候選天線的工作頻率應(yīng)為 1525.01660.5MHz，其百分比正方形微帶貼片天線的形式拓寬天線的阻抗帶寬，采用切角的方式實(shí)現(xiàn)圓極化特性。帶寬為 8.5%。海事通信天線采用微帶天線的結(jié)構(gòu)是一種合理的選擇。這是由于微帶天線具有地剖面、體積小、重量輕，并且較易實(shí)現(xiàn)圓極化和多頻段工作等優(yōu)點(diǎn)。然而常規(guī)的微帶天線帶寬較窄，無(wú)法滿(mǎn)足這種要求。展寬帶寬的方法很多，基本方法是降低微帶基板材料的相對(duì)介點(diǎn)常數(shù)，增大微帶基板的厚度，從而降低諧振 Q 值，其他的方法還有附2天線的結(jié)構(gòu)和初步設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的單元天線結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。上下兩層貼片同心層疊放置。下層貼片作為激勵(lì)單元，是邊長(zhǎng)為 l1、三角形切角直角邊

19、長(zhǎng)為 c1 的正方形，其諧振·5·Li dei頻率較低。下層貼片作為寄生單元，是邊長(zhǎng)為 l2，三角形切角直角邊長(zhǎng)為 c2 的正方形，諧振頻率較高。激勵(lì)單元與地面之間是厚度為 d1、介電常數(shù)為e1 的介質(zhì)。兩貼片單元之間是厚度 d2、介電常數(shù)為e2 的介質(zhì)。適當(dāng)選擇 l1、l2、c1、c2、d1、d2、e1、e2 等參數(shù)可調(diào)整這兩個(gè)頻率，使其適當(dāng)接近，從而形成頻帶適應(yīng)展寬的雙峰諧振電路。上下兩層介質(zhì)均選用+ 0.264eei + 0.3eei - 0.258L = 0.412d（2）ieiLi+ 0.8deiìïe ' +1e ' -110

20、d- 12ïeei= ei+ ei(1+ei )22Liïïe低介電常數(shù)和提高增益。材料支撐并組成天線陣以展寬帶寬' = e（3）íïïeïïîe1r1d' =e2e2d1d2+er1er 2ìde1 = d1íd（4）= d + dî e212其中，c 為自由空間中的光速，i=1 ,2。根據(jù)上述公式，選擇介質(zhì)基板的厚度和介電常數(shù)，便可以確定單元貼片的大小。然后利用全波分析軟件Ansoft HFSS，對(duì)天線陣進(jìn)行得到工程需要的參數(shù)要求。最后單元天線的設(shè)計(jì)參數(shù)如

21、下：l1=86mm, l2=76mm, c1=19mm, c2=17mm, d1=d2=6mm,e1=e2=1.05微帶天線單元的增益一般只有 68dB。為了獲得更大的增益，或?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)特定的，常采用由微帶輻射元組成的微帶陣列天線。所以，這里采用 4 個(gè)單元天線來(lái)組成 2 乘以 2 的平面陣，設(shè)計(jì)的天線陣和功分網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖 2 所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)7，陣元間距為半個(gè)，增益特性比較好。但是天線單元之間互耦嚴(yán)重，可能影響阻抗匹配。單元間距大一些，可以減少互耦對(duì)天線陣性能的影響。天線采用并聯(lián)等功率饋電，饋電網(wǎng)絡(luò)和下層貼片位于圖 1 天線單元結(jié)構(gòu)示意圖同一層。饋線的長(zhǎng)度和寬度的初始值由 ADS軟雙層微帶天線

22、陣的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，要得到精確的分析結(jié)果，必須用嚴(yán)格的全波分析法進(jìn)行分析。然而在實(shí)際的工程中，往往利用一些經(jīng)典公式1,2初件中的傳輸線計(jì)算工具算出。然后在 HFSS 軟件中優(yōu)化得到最后結(jié)果。步確定天線的，獲得單元天線設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。設(shè)激勵(lì)單元和寄生單元的諧振頻率分別為 f1 和 f2，貼片形狀為正方形，則有ì fc=ï1L ) e2(L +ï11e1í（1）cï f=ï2L ) e2(L +î22e2·6·圖 2 天線陣和饋電功分網(wǎng)絡(luò)示意圖圖 4 天線在 1609MHz 的增益結(jié)果3天線陣的結(jié)果天線陣的回波損耗

23、S11結(jié)果如圖 35 所示。圖 3 是天線結(jié)果，在整個(gè)工作頻帶內(nèi)，回波損耗大于 10dB，最低點(diǎn)出現(xiàn)在 1609MHz，與設(shè)計(jì)的中心頻率 1590MHz 接近。由于設(shè)計(jì)的雙峰頻率接近，頻帶展寬后使得結(jié)果呈現(xiàn)。中心頻率處的增益如圖 4所示，天線具有較好的主瓣方向性，副瓣電平和后瓣電平都比較低，天線陣增益為13.5dBi。圖 5 為中心頻率處的軸比結(jié)果，從圖中圖 5 天線在 1609MHz 的軸比結(jié)果可以看到天線在 角從-60 度到+60 度的范圍內(nèi)軸比小于 6dB，在工程上可以認(rèn)為是圓極化的工作方式。4結(jié)論設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于 BGAN 通信系統(tǒng)下的地面移動(dòng)終端天線，天線在整個(gè)海事通信工作頻帶內(nèi)有較

24、好的特性，駐波比小于 1.5，增益高于 13dB。該平面陣列天線具有成本低廉，簡(jiǎn)單，適合大批量生產(chǎn)制作等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)很容易與載體的表面融為一體。例如，可貼在物的外表面上，和船舶、車(chē)輛、飛機(jī)等交通工具的外殼上。圖 3 天線回波損耗結(jié)果參 考文 獻(xiàn)123.微帶天線理論與應(yīng)用M.西安:西安電子科技大學(xué),1991.,.微帶天線圓極化技術(shù)概述與進(jìn)展J.電波科學(xué)學(xué)報(bào),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. 天線與電波M. 大連海事大學(xué). 2002作者簡(jiǎn)介：，男，生，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡姶艌?chǎng)與微波技術(shù)。楊宏春，男，副教授、生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡姶艌?chǎng)與微波技術(shù)等。·8·分形圓極化雙頻微帶天線林澍 1，2祥 32222(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)博士后科研站，哈爾濱 150080)1；(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150080)2；(哈爾濱工業(yè)大學(xué)微電子科學(xué)與技術(shù)系，哈爾濱 150080)3摘 要：研究了一種單饋點(diǎn)右旋圓極化雙頻微帶天線。通過(guò)雙層貼片實(shí)現(xiàn)雙頻，微

28、帶貼片采用 Crown 方形分形結(jié)構(gòu)，通過(guò)激勵(lì)起兩個(gè)相互正交的簡(jiǎn)并模實(shí)現(xiàn)圓極化。采用 CST MWS®軟件進(jìn)行，結(jié)果表明在微帶貼片的對(duì)角線區(qū)域用探針饋電，可以實(shí)現(xiàn)圓極化輻射。用 FR4 材料做介質(zhì)基片制作了天線實(shí)物并進(jìn)試，該雙頻天線在 1.616GHz 和 2.49GHz 兩個(gè)頻點(diǎn)處，阻抗帶寬(VSWR<2)為 2.4%，6dB 軸比帶寬為 2%，增益 0dB 以上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)果基本吻合。：微帶天線，圓極化，分形，雙頻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微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化的條件是，通過(guò)饋電激勵(lì)起兩個(gè)極化方向正交的、幅度相等的、相位相差 90° 的線極化波。當(dāng)前微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化主要有三種方法，分別是單饋點(diǎn)法2、多饋點(diǎn)法3和多元法4。單饋點(diǎn)法基于空腔模型理論，利用簡(jiǎn)并模分離元產(chǎn)生兩個(gè)正交極化的簡(jiǎn)并模。多饋點(diǎn)法采用多個(gè)饋點(diǎn)饋電，由饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)圓極化工作條件。多元法使用多個(gè)線極化輻射元，原理與多饋點(diǎn)法相似，只是將每一饋點(diǎn)分別對(duì)一個(gè)線極化輻射元饋電。1引言微帶天線具有體積小、重量輕

34、、低剖面、易于集成和制造等優(yōu)點(diǎn)，在通信、等多個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。而圓極化微帶天線在當(dāng)前的應(yīng)用愈加廣泛。圓極化天線可接收任意線極化的來(lái)波，且其輻射波也可由任意線極化天線收到，故電子偵察和干擾中普遍采用圓極化天線 1。·9·本文結(jié)合微帶天線及分形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，研究并設(shè)計(jì)了形式的 Crown 方形分形雙頻圓極化微帶天線。利用 CST MWS®軟件對(duì)可用于“北斗”系統(tǒng)0的雙頻圓極化微帶天線進(jìn)行了建模，制作了相-5-10應(yīng)的天線并做了測(cè)試，考慮到天線的實(shí)用化，對(duì)天線做了結(jié)構(gòu)調(diào)整。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該天線工作在1.616GHz 和2.49GHz 處，阻抗帶寬(VSWR<2)達(dá)

35、3%，-15-20-25-306dB 軸比帶寬為 2%，增益 0dB 以上，與合，可滿(mǎn)足“北斗”系統(tǒng)要求。結(jié)果吻-3511.52freq.(GHz)2.53圖 2 天線 1 和 2 的反射損耗結(jié)果2雙頻微帶天線單元的設(shè)計(jì) 對(duì)于 2 階分形貼片來(lái)說(shuō)，由式(1)可知，貼片邊長(zhǎng)確定之后，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也就確定下來(lái)，而貼片邊長(zhǎng)與通帶的中心頻率對(duì)應(yīng)介質(zhì)波長(zhǎng)的關(guān)系如(2)式：Crown 分形微帶天線5-6貼片結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。圖中給出了 Crown 分形貼片的生成過(guò)程，逐次將邊長(zhǎng)為前次分形結(jié)構(gòu)一半的圖形內(nèi)嵌，最終形成一種L = 0.42lg（2）自相似的分形結(jié)構(gòu)，其中灰域?yàn)榻饘儋N片，白由此式即可調(diào)整天線的工

36、作頻點(diǎn)，這與普通微帶貼片天線類(lèi)似。 貼片采用 Crown 方形分形結(jié)構(gòu)可以形成兩個(gè)正交的簡(jiǎn)并模 TM01 模和 TM10 模，在貼片上選擇適當(dāng)?shù)奈恢灭侂?，使這兩個(gè)模式具有等幅度和 90°相位差，從而能夠?qū)崿F(xiàn)圓極化。這一圓極化方式可域?yàn)榭瞻讌^(qū)。設(shè)最外層貼片邊長(zhǎng)為 L，經(jīng)過(guò) n 次迭代，中心方形的邊長(zhǎng) ln 滿(mǎn)足7Ll =（1）nn22 -1將分形貼片印刷于相對(duì)介電常數(shù)e =2.32、厚度r為 3mm 基板的一面，另一面為地板，用 50 歐姆的以通過(guò)對(duì)貼片通頻帶附近的圓圖得到驗(yàn)同軸探針饋電，即了Crown 方形分形微帶天線。證，如圖 3 所示，圓圖阻抗曲線上的尖端說(shuō)分別設(shè)計(jì)上述結(jié)構(gòu)的工作

37、頻率為 1616MHz 和2490MHz 的兩個(gè)圓極化微帶天線，天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)明在此處產(chǎn)生了兩個(gè)簡(jiǎn)并模，這種情況所產(chǎn)生的圓極化往往帶寬較窄。列于表 1 中，電參數(shù)的結(jié)果列于圖 2 中。在仿沒(méi)有考慮導(dǎo)體和介質(zhì)損耗。LYX初始1階2階Lx結(jié)構(gòu)圖a) 天線 1 b) 天線 2圖 1 Crown 方形分形微帶天線貼片的結(jié)構(gòu)圖 3圓圖阻抗隨頻率變化曲線結(jié)果表 1 中的數(shù)據(jù)是利用CST MWS®軟件對(duì)Crown結(jié)果表明：利用 50 歐姆同軸探針饋電時(shí)，饋電位置在方形貼片對(duì)角線附近天線的圓極化帶寬會(huì)顯著增加，選取其他位置則圓極化帶寬很窄。經(jīng)方形分形微帶天線進(jìn)行的基礎(chǔ)之上得到的，通過(guò)研究可以得出如下

38、規(guī)律：表 1 微帶天線單元的參數(shù)優(yōu)化本文選取表 1 中的饋電位置使圓極化帶過(guò)寬達(dá)到最寬。 圖 1 中所示的饋電結(jié)構(gòu)為右旋圓極化天線， 在其關(guān)于 x 軸或 y 軸的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)處饋電則為左旋圓極化天線。 在文獻(xiàn)6中采用改變貼片長(zhǎng)寬比可對(duì)其圓·10·LyLReturn Loss(dB)O參數(shù)天線 1(1616MHz)天線 2(2490MHz)介質(zhì)板邊長(zhǎng)70mm50mmL49.7mm32.5mmL51.8mm33.9mmLx6.5mm4.2mmLy6.5mm4.2mmAnt.1Ant.2相對(duì)帶寬3.85%3.98%貼片電0.42g0.42g極化特性進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)其中結(jié)論本文采用長(zhǎng)寬比為

39、 1.04 的貼片進(jìn)行優(yōu)化。0-2-4-6-83雙頻微帶天線的設(shè)計(jì)根據(jù)以上對(duì)于天線結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果和“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航通信的要求，確定天線設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：-10-12-14-16-18天線工作頻帶為 1616±10MHz和11.52freq.(GHz)2.532490±10MHz ；右旋圓極化；軸比優(yōu)于 6dB；圓極化增益優(yōu)于 0dBi。圖 5雙頻右旋圓極化微帶天線的反射損耗在第 2 部分的基礎(chǔ)之上，采用如圖 4 所示的天線結(jié)構(gòu)。兩層介質(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù)均為 4.5， 其中貼片 1 既充當(dāng)輻射貼片又起到貼片 2 地板的作用，可以實(shí)現(xiàn)微帶天線的雙頻特性。由于兩個(gè)貼片之間的相互影響以

40、及貼片 1 的分形結(jié)構(gòu)，將第 2 部分設(shè)計(jì)的貼片 1 和 2 直接層疊饋電后會(huì)導(dǎo)致頻率偏100-10AR(phi 0)AR(phi 90)Gain(phi 0)Gain(phi 90)-20-30-40-50移，還需要進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試的內(nèi)容如下：上-60-180-120-60060theta (deg.)120180下貼片的相對(duì)位置；上下貼片的邊長(zhǎng)；饋電位置；介質(zhì)板。最終通過(guò) CST所得到的天a)f=1616MHz線結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表 2 中結(jié)果列于圖 5圖 6 中。1050-5-10-15-20-25-30-35-40天線在 1616MHz 的頻帶寬度為 31MHz（1.9%），軸比-2.6dB，

41、2490MHz 的頻帶寬度為 55MHz（2.2%），軸比-2.8dB，滿(mǎn)足指標(biāo)要求。y介質(zhì)1貼片1-180-120-600theta (deg.)60120180(xf yf)(xp yp)xOb)f=2490MHz貼片2lp2介質(zhì)2圖 6雙頻右旋圓極化微帶天線的軸比和增益ls2lp1ls14實(shí)驗(yàn)結(jié)果(a) 雙頻天線的頂視圖根據(jù)上述結(jié)果，采用 FR4 敷銅板制作了天探針線如圖 7 a)所示，考慮到天線的加固問(wèn)題，在上層介質(zhì)板兩側(cè)延伸出一條加固帶，并用介質(zhì)螺絲將上下兩個(gè)介質(zhì)板固定，證明不影響天線性能，天線(b) 雙頻天線的側(cè)視圖測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖 7。圖 4 分形圓極化雙頻微帶天線模型0-2-4-6-8-10-12-14-16-18表 2 微帶天線的參數(shù)（：mm）11 52freq.(GHz)2 53·11·ws1wp1ws2H1wp2H2dBReturn Loss(dB)dBReturn Loss(dB)參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值ls160ls236xp1 5ws160ws236yp4.8lp136.5lp224.2xf4.7Simu. Mesu.AR(phi=0)AR(phi=90) Gain(phi=0)Gain(phi=90)wp137.6wp225 2yf8.0H13H23a) 天線實(shí)物b) 反射損耗測(cè)試結(jié)果1050-5-10AR(