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

1、帶有新型寄生單元的印刷偶極子天線李晉陽張小苗楊倩趙旭東王，西安 710071）（西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)摘 要：印刷偶極子帶寬窄，增益相對(duì)較低，帶內(nèi)增益不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于新型寄生單元的印刷偶極子, 具有平面結(jié)構(gòu)，覆蓋 2.3GHz-3.9GHz 頻段，帶寬，提高增益,而且增益在絕大部分工作頻帶內(nèi)穩(wěn)定在 9dB。關(guān)鍵字：印刷偶極子，平面天線，寄生單元，寬帶，高增益及實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該寄生單元能有效展寬A Printed Dipole with Novel Parasitic ElementsLi JinyangZhang XiaomiaoYang QianZhao Xudong

2、Wang Yinhang(National Key Laboratory of Antennas and Microwave Technology，Xidian University, Xian 710071)Abstract: A printed dipole with novel parasitic elements is presented to improve the bandwidth and the gain, covering 2.3GHz3.9GHz bandwidth. It has a steady gain of 9dB in most of the operating

3、band .The simulated and measured results show the parasitic elements can increase the bandwidth and the gain efficiently.Keywords: printed dipole; planar antenna; parasitic element; wideband; high gain較大，且不易與其他系統(tǒng)集成。上述展寬帶寬，提高增益的方法要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 要么不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬帶、高增益性能，具有一定的缺點(diǎn)，使用陣列形式，還需要另外設(shè)計(jì)功分器，使1引言印刷偶極子除具有對(duì)稱振子的性能外

4、，還具有平面結(jié)構(gòu)，易于與其他系統(tǒng)集成，體積小，制作簡(jiǎn)得天線變大。本文在印刷偶極子的基礎(chǔ)上增加單，廣泛應(yīng)用于天線，射頻識(shí)別等一系列現(xiàn)代了 4 個(gè)對(duì)稱的矩形平面寄生單元，了阻抗匹配，通信領(lǐng)域。然而，偶極子也存在著帶寬窄，增益低， 帶內(nèi)增益不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。為此，對(duì)于印刷偶極子的改進(jìn)成為當(dāng)前一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前，偶極子展寬帶寬的方法主要包括：套筒加載1，將天線輪廓設(shè)計(jì)為漸變結(jié)構(gòu)2，優(yōu)化饋電巴倫3等。提高增益的方法包括：加反射板，反射板設(shè)計(jì)為EBG 結(jié)構(gòu)4，采用陣列天線5等。折合振子、平面八木天線6可以有效地展寬天線的帶寬，使得相對(duì)帶寬達(dá)到 50%左右，但增益通常只有 5dB6dB，不足以達(dá)到高增益的要求。

5、Shi-Wei Qu7等人的工作不僅展寬了印刷偶極子的帶寬，而且將增益提高至 14dB 以上，但其為立體結(jié)構(gòu)，體積使天線在電壓駐波比小于 2 的情況下，阻抗帶寬能夠覆蓋 2.3GHz3.9GHz，相對(duì)帶寬達(dá)到 52%，并且天線在 2.5GHz3.6GHz 帶寬中增益穩(wěn)定在 9dB。并且該天線具有平面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，帶寬和增益均較無寄生單元時(shí)大為提高。2天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文所設(shè)計(jì)的天線采用印刷振子結(jié)構(gòu)，使用微帶耦合饋電，介質(zhì)板一側(cè)為微帶巴倫，另一側(cè)為印刷振子及對(duì)稱分布的 4 個(gè)寄生單元，并將天線垂直置于 160mm100mm 的金屬反射板之上， 采用50WSMA 饋電。其中，介質(zhì)采用 FR4（r=4

6、.4）材料,基金項(xiàng)目：自然科學(xué)基金（No. 60671056）厚度為 1.6mm。天線各部分見圖 1 及表 1。本文所設(shè)計(jì)的兩個(gè)豎直寄生單元，可以看作是平面反射板向上折起的等效，與角反射器的原理類似，通過向上反射低仰角的電磁波達(dá)到壓縮波束寬度的目的，使電磁波盡可能向上方輻射，從而提高 Z方向上的增益。Sp1Lp1Wp2S1Wp1S2L1Lp2W1/4g short circuited Slot line3結(jié)果及分析1/4g open stubzW2W3L利用 Ansoft HFSS 11 對(duì)上述天線進(jìn)行，經(jīng)y過適當(dāng)調(diào)整S1,S2,Lp1,Lp2 及Sp1 的值，使天線的阻抗匹配達(dá)到最佳的同時(shí)，

7、天線的增益達(dá)到最大。經(jīng)圖 1天線各部分表 1 天線設(shè)計(jì)（：mm）優(yōu)化后， 當(dāng) S1=30mm, S2=23mm,過數(shù)值Lp1=20mm, Lp2=50mm 及 Sp1=6mm 時(shí)，天線在S11-10dB 內(nèi)的帶寬覆蓋 2.3GHz3.9GHz，相對(duì)帶寬達(dá)到 52%。作為對(duì)比，本文了一個(gè)沒有寄生單元的天線（其他相同），其帶寬只能覆蓋2.6GHz3.75GHz,相對(duì)帶寬只有 36.2%。可見，該寄生單元的使用有效地了天線高頻及低頻端阻抗匹配，有效地增加了帶寬（如圖 2 所示）。S11 實(shí)測(cè)由于對(duì)稱振子是需要平衡饋電的，饋電巴倫的設(shè)計(jì)就尤為重要。如圖 1 所示，微帶巴倫包括為一段微帶線，一段 1/4

8、g 開路線，和位于背面振子之間的一段 1/4g 短路槽線。這種耦合饋電結(jié)構(gòu)業(yè)已證明具有寬帶特性，且具有平衡電流的作用。但是由于在饋電點(diǎn)天線的諧振阻抗約為 80W，所以將開路線設(shè)計(jì)為較窄的微帶線，為了與 50W設(shè)備相連接，在巴倫起始部分，應(yīng)將其設(shè)計(jì)為阻抗約 63W的 1/4g 微帶線。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)起始部分直接設(shè)計(jì)成 50W 微帶線對(duì)擴(kuò)展阻抗帶寬更有益，故本文采取 50W微帶線，相應(yīng)的 W3=3.2mm。造成這種與理論上的差結(jié)果在 3.6GHz 左右比工、焊接及測(cè)試環(huán)境等結(jié)果略高，可能是由于加所致。與此同時(shí)，寄生單元的引入，了天線的定向性，提高了增益。與不使用寄生單元相比，該天線除在 2.5

9、GHz 附近增益為 9dB，與對(duì)比天線基本持平外，在中頻及高頻段，使用寄生單元可以明顯提高增益1dB2dB，并在3.6GHz 附近最大可提高2.4dB（如圖 3 所示）。此外，沒有寄生單元的天線，其增益在高頻端下降較快，增益較低，而引入了寄生單元的天線，其增益隨頻率變化緩慢，并始終保持在7dB 以上，可見，寄生單元的引入，可使增益在絕大部分頻帶內(nèi)保持平穩(wěn)。距，其應(yīng)該是寄生單元的引入改變了天線的阻抗，進(jìn)而使得匹配也隨之改變。共面寄生單元的基本原理為:在主饋電貼片周 圍增加寄生貼片單元，主饋電貼片通過耦合激勵(lì)寄生貼片。如果所有貼片激勵(lì)起的諧振頻率差別不大， 即貼片的諧振點(diǎn)離得比較近，那么就有可能獲

10、得比較寬的頻帶。本文設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的 4 個(gè)寄生單元均通過間隙間接耦合激勵(lì)。其中，兩個(gè)水平放置的寄生單元，長(zhǎng)度都約為 1/4g，距離偶極子約 1/4 波長(zhǎng)，可以看作是一種引向結(jié)構(gòu)，由天線阻抗理論分析可知，它們與原有的偶極子及其鏡像產(chǎn)生互耦，可以有效地展寬帶寬。measured with parasitic elements simulated with parasitic elements simulated without parasitic elements0-10-20-30-40-502.02.53.0Frequency /GHz3.54.0圖 2 S112S11/dBL110W210Lp

11、250W55W33 2Wp12L121.5W41.4Wp22L220Ws3Sp16W110Lp120S130S223W4W1L2Ws0without parasitic elements with parasitic elements100-10-20-303303010987654321030060-40 27090-30-20-10010240120co-pol(xz-plane) cr-pol(xz-plane) co-pol(yz-plane) cr-pol(yz-plane)2.02.53.0Frecuncy/GHz3.54.0210180(c) 3.9GHz E 面、H 面方向圖圖

12、 3 增益隨頻率變化曲線圖 5 天線方向圖圖 5 為天線在 2.3GHz，3GHz 和 3.9GHz 時(shí)的 E面、H 面主極化和交叉極化方向圖，由圖可知，天線的H 面波束寬度分別達(dá)到 70，90，70；E 面波束寬度分別為 50，50，70，可見，該天線具有寬波束特性。天線的交叉極化在低頻和中頻時(shí)，小于-15dB，在高頻點(diǎn)時(shí)小于-10dB，較差的交叉極化性能出現(xiàn)在 3.9GHz 時(shí)，=60附近，交叉極化僅小于-3dB。由圖 5 可知，雖然天線的交叉極化性能， 在 比較大的情況下，隨著頻率的增高而下降，但在絕大部分頻帶內(nèi)具有較低的交叉極化。圖 6 為天圖 4 天線在 3GHz 時(shí)的電流分布圖 4

13、 為天線在中心頻率 3GHz 時(shí)的電流幅度分布，從圖中可以看出，偶極子以及兩個(gè)水平寄生單元上的電流較大，說明水平放置的寄生單元被感應(yīng)出了可以產(chǎn)生輻射電流，從而形成較強(qiáng)的輻射，有效地提高增益。而豎直的兩個(gè)寄生單元電流較小， 與地板的電流強(qiáng)度相當(dāng)，故將其視為類似角反射器的結(jié)構(gòu)也較為合理。線實(shí)物。010033030-10-20-3030060圖 6 天線實(shí)物-40 27090-30-20-104結(jié)論240120010co-pol(xz-plane) cr-pol(xz-plane) co-pol(yz-plane) cr-pol(yz-plane)本文在傳統(tǒng)印刷對(duì)稱振子的基礎(chǔ)上，增加了 4 個(gè)與對(duì)稱

14、振子共面的新型寄生單元。利用天線互阻抗理論和角反射器理論對(duì)天線進(jìn)行了初步分析，結(jié)果 表 明 ， 該 天 線 能 夠 覆 蓋 移 動(dòng) 通 信 中2.3GHz3.9GHz 工作頻段（中心頻率 3GHz），相對(duì)帶寬達(dá)到 52%,增益在絕大部分頻帶內(nèi)穩(wěn)定在 9dB 左右，并在整個(gè)工作頻帶內(nèi)高于 7dB，且天線具有寬波束，H 面波束寬度大于 70，E 面波束大于 50，210180(a) 2.3GHz E 面、H 面方向圖(b) 3GHz E 面、H 面方向圖3Gain/dB交叉極化在絕大部分頻帶內(nèi)小于-10dB。該天線在整個(gè)工作頻帶內(nèi)，除具有寬帶、高增益性能外，方向圖一致性也較好。此外，該天線還具有平

15、面結(jié)構(gòu)， 易與制作，方便與電路集成。與不使用寄生單元相參 考比，具有展寬帶寬，提高增益，增益在帶內(nèi)穩(wěn)定，且工作頻帶內(nèi)方向圖一致性較好的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于天線，射頻識(shí)別等無線通信領(lǐng)域。文 獻(xiàn)1Yacouba coulibaly, tayeb a. Denidni, and larbi talbi ,Broadband Coplanar Waveguide Fed Printed Monopole Antenna with Strip-sleeves, Microwave and Optical Technology Letters , vol. 48, no. 2,February 2006Pe

16、tr Cerny, Milos Mazanek, Simulated Transient Radiation Characteristics Of Optimized Ultra Wideband Printed Dipole Antennas, Radioelektronika, 2007. 17th InternationalConference 24-25 April 2007 Page(s):1 623Peter Lindberg, Erik Ojefors, Anders Rydberg, Wideband Slot Antenna for Low-Prole Hand-held T

17、erminal Applications, Proceedings of the 9th European Conference on Wireless Technology4Lida Akhoondzadeh-Asl, Douglas J. Kern, Peter S. Hall, and Douglas H. Werner, Wideband Dipoles on Electromagnetic Bandgap Ground Planes, EEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.55, no. 9, September 2007

18、5RongLin Li, Terence Wu, Bo Pan, Kyutae Lim, Joy Laskar, and Manos M. Tentzeris, Equivalent-Circuit Analysis of a Broadband Printed Dipole with adjusted integrated Balun and an Array for BaseStation Applications, IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Volume PP, Forthcoming, 2009 Page(s):1 1

19、Sergio E. Melais and Thomas M. Weller, A Quasi Yagi Antenna Backed by a Mpropagation,vol.56, NO.12, p3868, December 2008.Reector, IEEE transactions on antennas and6Shi-Wei Qu, Jia-Lin Li, Student Member, IEEE, and Quan Xue, High-Gain Wideband Leaky-Wave Antenna Excited by BowtieElement, IEEE Transac

20、tions on Antennas and Propagation,vol.56, NO.8, p2469, August 2008.7作者簡(jiǎn)介： 李晉陽，男，張小苗，男，教授、線技術(shù)等。，研究方向?yàn)槌瑢拵?、小型化天線技術(shù)。生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)橐苿?dòng)通信天線技術(shù)、相天線技術(shù)、共形相天線技術(shù)和反射面天4一種諧波抑制圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)江超楊雪霞(上海大學(xué)通信與信息,上海 200072)摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種基于缺陷地結(jié)構(gòu)的諧波抑制圓極化微帶天線。采用對(duì)方形貼片切角的方式激勵(lì)圓極化，利“啞鈴”型缺陷地結(jié)構(gòu)單元抑制二次諧波。天線二次諧波的回波損測(cè)試值在-4dB 以內(nèi)，最大增益可達(dá)到 7dBi，波瓣前

21、后比為-13dB，3dB 軸比帶寬為 85MHz。該天線用于射頻前端，在一定程度上可實(shí)現(xiàn)射頻前端的小型化。：微帶天線，圓極化，諧波抑制，缺陷地結(jié)構(gòu)Design of A Circularly Polarized Microstrip Antenna with Harmonic SuppressionJiang ChaoYang Xuexia(School of Communications and Information Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)Abstract: A circularly polariz

22、ed microstrip antenna with harmonic suppression based on defected ground structure is presented in this paper. Angle-cutted rectangle patch excites circularly polarization. The second harmonic is suppressed by two dumbbell-shaped DGS units. The measured S11 is -4dB at the second harmonic, the gain i

23、s 7dBi and the front-to-back ratio is -13dB with 85MHz CP bandwidth (axial ratio 3dB). The antenna is applied to RF front-end and realizes the miniaturization in some degree.Keywords: microstrip antenna; circularly polarization; harmonic suppression; defected ground structure提出了一種新型的矩形微帶天線結(jié)合雙開環(huán)濾波單元，

24、二、三次諧波得到了的濾除，諧波抑制在-5dB 左右。文獻(xiàn)8中采用了 TDGS 的天線結(jié)構(gòu)，二、三次諧波的抑制達(dá)到了-3dB 以內(nèi)，但 TDGS 占用面積較大。本文設(shè)計(jì)了具有二次諧波抑制功能的圓極化天線，用于射頻前端可減小其體積。1引言缺陷接地結(jié)構(gòu)（DGS）是由韓國(guó)學(xué)者 J.I.Park 等人在研究光子帶隙結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出的1。DGS 能使得微帶線具有帶隙特性和慢波特性，從而可以應(yīng)用在抑制天線高次諧波2、低通濾波器3、功分器4等方面。相比光子帶隙結(jié)構(gòu)，DGS 結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，更適于微波毫米波電路的應(yīng)用。文獻(xiàn)5使用了雙圓形缺陷地板和圓形輻射貼片，很好地解決了交叉極化的輻射電平，但沒有實(shí)現(xiàn)圓極化。文獻(xiàn)6在

25、矩形輻射天線中加入了平行耦合微帶線濾波器，具有良好的二次諧波抑制效果，其缺點(diǎn)就是整個(gè)天線單元占用面積過大。文獻(xiàn)7中2天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1天線圓極化的實(shí)現(xiàn)貼片天線采用微帶線邊緣饋電，如圖 1 所示，方形貼片的邊長(zhǎng)可由公式（1）確定。基金項(xiàng)目：上海市大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（CXXJ08-034）5L2L3綜合分析。天線的結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，介質(zhì)板厚 1.5mm， 介電常數(shù)為 2.65。長(zhǎng)寬分別為 44mm 和 40mm。饋線和天線共面，而DGS 在接地板上。缺陷地的幾何尺寸分別為r=1.7mm, g=0.8mm, d=4mm, L=4mm。L1Dbacw3w1w20-5-10-15圖 1 貼片結(jié)構(gòu)圖S1

26、1 S21cL =（1）er2 f-20-25-30-35切角方形貼片能夠激勵(lì) TM01 模和 TM10 模，從而實(shí)現(xiàn)圓極化，結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。通過軟件，得到貼片輸入端口點(diǎn) a 的輸入阻抗為 200W。用/4阻抗變換器將 200W轉(zhuǎn)換成 50W，便于測(cè)量和加載DGS 單元。/4 波長(zhǎng)變換器的特性阻抗為 Zc。0246Freq/GHz81012圖 3雙啞鈴型 DGS 的S 參數(shù)的特性Zc =Zi Z0（2）根據(jù)公式（2）可以計(jì)算出變換線的特性阻抗為100W。2.2DGS 的設(shè)計(jì)這里采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的啞鈴型 DGS。該 DGS 結(jié)構(gòu)在 50W微帶線的另一側(cè)，即接地板上，結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，啞鈴半徑為

27、 r，啞鈴握柄寬為 g，單元間距為d，啞鈴握柄長(zhǎng)為L(zhǎng)。圖 4 天線結(jié)構(gòu)3.1天線對(duì)DGS 單元的截止頻率影響最顯著的是啞鈴半徑r 和啞鈴握柄寬g。啞鈴的面積越小，截止頻率越高；g 越窄，截止頻率越低。而 L 參數(shù)和d 參數(shù)則同樣可以引起截止頻率的改變，如圖 5 所示，L 越長(zhǎng)，截止頻率越?。蝗鐖D 6 所示，d 越大，濾波器的選通圖 2 雙啞鈴結(jié)構(gòu)性就越強(qiáng)。圓極化性能決定性因素是方形貼片的切角。圖 6 是饋線偏移量 D 對(duì)圓極化的性能的影響。因?yàn)榍薪侵蟮姆叫钨N片改變了貼片表面電流的流向，使其沿著貼片邊緣旋轉(zhuǎn)，而貼片邊緣的一段饋線在一定程度上導(dǎo)致了表面電流分布的不均勻，所以通過改用HFSS 分析

28、 DGS 的頻響特性，圖 3 是的S 參數(shù)曲線，可以看出此 DGS 結(jié)構(gòu)在 10G12G 的高頻帶內(nèi)，回波損耗好于-2dB。這種DGS 結(jié)構(gòu)結(jié)合天線使用，可以彌補(bǔ)在低頻通帶內(nèi)的不足。3天線和實(shí)驗(yàn)變邊緣饋電位置使得表面電流佳圓極化效果。增益和軸比的的平衡，完成最圖，如圖 7 所示。DGS 對(duì)天線特性有影響，所以對(duì)這種天線需要6Magnitude/dB160MHz，S 參數(shù)基本和結(jié)果一致。5.8GHz 頻率0點(diǎn)的 H 面方向圖如圖 9 所示，波瓣前后比為-13dB，方向圖比較吻合。-5-1058LHCP Gain-15L=6.8mm L=7.2mm L=7.6mm4-206-2534-302567

29、Freq/GHz8921圖 5L 對(duì)S 參數(shù)的影響Axial Ratio005.705.755.80Freq/GHz5.855.900-5-10-15-20-25-30-35圖 8軸比和增益圖0-5-10-15-20-25-30-35-40d=4.0mm d=4.5mm d=5.0mm567Freq/GHz89圖 6d 對(duì)S 參數(shù)的影響4681012143Freq/GHz圖 9 S11與實(shí)測(cè)2105.655.705.755.80Freq/GHz5.855.905.95圖 7 隨D 影響的軸比帶寬3.2測(cè)試結(jié)果經(jīng)過優(yōu)化，天線幾何參數(shù)為L(zhǎng)1=14mm，圖 10 H 面與實(shí)測(cè)L2=11.5mm，L3

30、=8.7mm，w1=2.2mm，w2=4.2mm，w3=1mm。 S11 頻響特性如圖 9 所示， DGS 和無4結(jié)論DGS 二次諧波的值分別為-2dB 和-17dB，有DGS二次諧波的測(cè)試值為-4dB。由于 DGS 對(duì)較本文設(shè)計(jì)了一種易于有源集成的圓極化微帶天敏感，從而導(dǎo)致了測(cè)試誤差。S11-15dB 帶寬為7S11/dBAR/dBS11/dBS11/dBAR/dBGain/dBD=0.3mm D= -0.3mmD= 0mmwith DGS(sim) with Dea) no DGS(sim)線，具有諧波抑制功能。軸比小于 3dB 的帶寬和增益的值分別為 85MHz 和 7.0dBi。通過實(shí)

31、際測(cè)量，該天線在中心頻率的回波損耗低于-27 dB，且能將二次諧波的回波損耗抑制到-4dB 以內(nèi)。S11-15dB 帶寬為 160MHz。方向圖的實(shí)際測(cè)量值與本保持一致，波瓣前后比為-13dB。結(jié)果基8參 考 文 獻(xiàn)1J.I. Park, C.S. Kim, J.Kim,., Ming of a photonic bandgap and its application for the low-pass filterdesign, in Asia-Pacific Microwave Conf., 1999, PP: 331-334.Y. Sung, M. Kim, and Y. Kim, “Ha

32、rmonics reduction with defected ground structure for a microstrip patch antenna,” IEEE Antennas WirelessPropag. Lett., vol. 2, no. 8, pp. 111113, Aug. 2003.D. Ahn, J. S. Park, C. S. Kim, Y. Qian, and T. Itoh, “A design of thelow-pass filter using the novel microstrip defected ground structure,”IEEE Trans. Microwave Theory Tech.,