一種改進(jìn)了阻抗帶寬和低仰角增益的雙頻圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)

1、一種改進(jìn)了阻抗帶寬和低仰角增益的雙頻圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)史雪瑩 鄢澤洪 左少麗(西安電子科技大學(xué)天線與電磁散射研究所，西安 710071)摘 要：本文設(shè)計(jì)了一款可用于衛(wèi)星通信的圓極化微帶天線，采用雙層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了雙頻（1590 MHz，2491 MHz）特性。與用探針直接饋電相比，本文中的天線饋電方式為圓形貼片耦合饋電。仿真結(jié)果顯示圓極化特性并獲得比較好的駐波比和較高的低仰角增益。對(duì)于低頻段（1590MHz），阻抗帶寬為130MHz，相對(duì)帶寬為8.2%。對(duì)于高頻段（2491MHz），阻抗帶寬為390MHz，相對(duì)帶寬達(dá)到了15.7%。在低仰角為10°時(shí)獲得的增益分別為-0.57dB和 1

2、.49dB，與用探針直接饋電相比，低仰角增益改善了1dB 和 0.6dB。關(guān)鍵詞：層疊微帶天線，阻抗帶寬，低仰角增益，耦合饋電A Coupling-Fed Circularly Polarised Microstrip Antenna With Wider Impedance Bandwidth And Higher Low-Elevation GainShi Xueying Yan Zehong Zuo Shaoli(Institute of Antenna and EM scattering, Xidian University of China, Xian 710071)Abstract

3、: A novel coupling-fed circularly polarized microstrip antenna with wider impedance bandwidth and higher gain at low-elevation is proposed in this paper. Compared with the truncated-corners square patch antenna directly fed by a probe, the proposed antenna is fed through coupling of a circular patch

4、 on the top of the probe. The simulated results verify the circular polarization and show that good VSWR and higher low-elevation gain have been obtained. In the lower band, the obtained impedance bandwidth is 130MHz, or about 8.2% with respect to 1590MHz. In the upper band, the impedance bandwidth

5、is 390MHz, or about 15.7% referenced to 2491MHz. The gain values at 10° low elevation are to be -0.57dB and 1.49dB at two operation frequencies, which are emhanted 1dB and 0.6dB compared with probe directly feeding.Keywords: Stacked microstrip antenna;Impedance bandwidth;Low-elevation gain; Cou

6、pling-fed1 引言微帶天線具有體積小,重量輕,低剖面等優(yōu)點(diǎn)，在過(guò)去的幾十年里圓極化微帶天線在衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用1, 2。隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)的迅速發(fā)展，衛(wèi)星無(wú)線導(dǎo)航系統(tǒng)需要一個(gè)高性能的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的接收機(jī)3, 4。接收天線的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最重要的部分之一，因此對(duì)這一天線的性能提出了較高的要求。在獲得滿足要求的圓極化特性下要盡可能的展寬其阻抗帶寬，提高低仰角增益。單點(diǎn)饋電的切角方形貼片天線的建模非常簡(jiǎn)單，并且易于制作。因此，得到了廣泛的應(yīng)用。然而，這種天線的阻抗帶寬窄，并且低仰角增益低5, 6。利用多點(diǎn)饋電的微帶天線可以獲得較好的圓極化特性和較寬

7、的阻抗帶寬，但是它需要加入饋電網(wǎng)絡(luò)7, 8。本文提出了一種利用圓形貼片耦合饋電的切角方形貼片微帶天線，改善了阻抗帶寬和低仰角增益，獲得了較好的圓極化軸比特性9, 10。2 天線結(jié)構(gòu)圖1給出了天線的幾何結(jié)構(gòu)。上下貼片的長(zhǎng)度分別是L1和L2。上下兩層介質(zhì)的介電常數(shù)=7，厚度為5mm。由于存在較多的設(shè)計(jì)變量，通過(guò)優(yōu)化過(guò)程很難獲得準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)參量值。首先我們可以利用腔模理論計(jì)算出該天線的初始尺寸。最后的結(jié)果通過(guò)利用基于有限元方法的電磁仿真軟件HFSS 11.0獲得。上下介質(zhì)層的長(zhǎng)度分別為54mm和60mm。通過(guò)調(diào)整貼片長(zhǎng)度L1和L2，使上層貼片諧振在2491MHz，下層貼片諧振在1590MHz。為了激勵(lì)

8、圓極化波，方形貼片分別被切去了兩個(gè)角，這樣場(chǎng)就被分離成兩個(gè)相互正交的簡(jiǎn)并模式。上下切角的邊長(zhǎng)分別為m1和m2。通過(guò)調(diào)整m1和m2的長(zhǎng)度，使得兩個(gè)垂直的模式產(chǎn)生相同的幅度以及90°的相位差。這樣就得到了圓極化。用來(lái)饋電的探針設(shè)置在距天線中心d=7.4mm的位置，這個(gè)探針并沒(méi)有直接與上層貼片相連，而是在探針頂端加載一個(gè)圓形貼片形成與上層貼片的耦合饋電。圓形貼片的半徑s=10mm，距離上層貼片p=1mm。圖1 天線的幾何結(jié)構(gòu)在仿真環(huán)境下，我們優(yōu)化了兩層貼片的長(zhǎng)度和切角的邊長(zhǎng)。最后，我們獲得了最優(yōu)的天線設(shè)計(jì)參量：L1=20.4mm，L2=28.6mm，m1=5.6mm，m2=4.2mm。3

9、結(jié)果分析文中通過(guò)對(duì)該天線的研究和分析，討論了圓形貼片的效應(yīng)。圖2給出了圓形貼片在不同的位置處對(duì)駐波的影響。當(dāng)圓形貼片加載在上層介質(zhì)中間時(shí)，獲得了很好的阻抗帶寬。對(duì)于低頻段，獲得的阻抗帶寬為130MHz，相對(duì)帶寬為8.2%。對(duì)于高頻段，阻抗帶寬為390MHz，相對(duì)帶寬達(dá)到了15.7%。圖3給出了采用探針直接饋電和耦合饋電的駐波特性。我們發(fā)現(xiàn)耦合饋電明顯改善了天線的阻抗帶寬。獲得較高的低仰角增益也是我們的天線設(shè)計(jì)目標(biāo)。圖4和圖5分別給出了兩個(gè)諧振頻率下探針耦合饋電和直接饋電的增益。很明顯我們?cè)诘脱鼋菫?0°時(shí)獲得的增益分別為-0.57dB和1.49dB，與用探針直接饋電相比，低仰角增益改

10、善了1dB和0.6dB。圖6和圖7分別給出了低頻段和高頻段的軸比特性。由圖可以看出低頻段和高頻段的圓極化帶寬分別為30MHz和60MHz。圖8和圖9分別給出了在1590 MHz和 2491MHz下主極化和交叉極化的方向圖。圖2 圓形貼片放置在上層介質(zhì)內(nèi)部 -圓形貼片放置在下層介質(zhì)內(nèi)部 圓形貼片放置在上層介質(zhì)上部圖3 耦合饋電的駐波特性 -直接饋電的駐波特性圖4 f=1590MHz 耦合饋電的增益-直接饋電的增益圖5 f=2491MHz 耦合饋電的增益 -直接饋電的增益圖6 軸比（f=1590MHz）圖7 軸比（2491MHz）圖8 主極化和交叉極化（1590MHz）圖9 主極化和交叉極化（24

11、91MHz）4 結(jié)論本文介紹了一種層疊的耦合饋電的雙頻帶圓極化微帶天線。與用探針直接饋電相比，圓形貼片耦合饋電改善了阻抗帶寬和低仰角增益。該天線在兩個(gè)工作頻率下同時(shí)得到了較好的圓極化輻射特性。參 考 文 獻(xiàn)1Chis-Ming Su and Kin-Lu Wong, A dual-band GPS microstrip antenna, Microwave and Optical Technology Letters.,Vol.33,No.4,May 20022Ying-feng Zhang, Shan-wei Lv, XIAN-Liang Luo, A dual-frequency micr

12、ostrip antenna with wider beam and higher gain at low-angle, IEEE International Symposium on Microwave Antenna Propagation and EMC Technologies For Wireless Communications. 20073S.-L.S. Yang, K.-F.Lee,A.A.Kishk, and K.M.Luk, Design and study of wideband single feed circularly polarized microstrip an

13、tennas, Progress In Electromagnetic Research,PIER 80,45-61,20084M.Davidovitz and Y.T.Lo, Rigorous analysis of a circular patch antenna excited by a microstrip transmission line, IEEE Trans,Antennas Propagat.,vol.37,no.8,Aug.19895Dr.Max Amman, Design of Rectangular Microstrip Patch Antennas for the 2

14、.4GHz Band, Applied Microwave &Wireless,pp.24-34,Nov 19976A.Pirhadi,M.Hakkak,and F. Keshmiri, Using electromagnetic bandgap supertrate to enhance the bandwidth of probe-fed microstip antenna, Progress In Electromagnetic Research,PIER 61,215-230,20067T.Chakravarty, S. M. Roy,S.K.Sanyal,and A.De,

15、A novel microstrip patch antenna with large impedance bandwidth in VHF/UHF rang, Progress In Electromagnetic Research,PIER 54,83-93,20058M. A. S.Alkanhal and A. F. Sheta, A novel dual-band reconfigurable square-ring microstrip antenna, Progress In Electromagnetic Research,PIER 70,337-349,20079Xiang-

16、fei Peng, Shun-shi Zhong, Sai-Qing Xu, and Qiang Wu, Compact dual-band GPS microstrip antenna, Microwave and Optical Technology Letters/ Vol,44,No.1,Jan 5 200510Zhou.Y, Chen.C.-C., Volakis.J.L, Dual band proximity-fed stacked patch antenna for tri-band GPS applications, Antennas andPropagation,IEEET

17、ransactionson.,vol.55,Issue.1,pp.220-223,Jan.2007作者簡(jiǎn)介：史雪瑩，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信天線。鄢澤洪，男，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)樘炀€伺服控制、衛(wèi)星通信天線等。左少麗，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榭芍貥?gòu)天線，微帶天線等。一種新型超寬帶平面單極微帶天線的設(shè)計(jì)李存龍 王?；?史小衛(wèi) 徐 樂(lè) 李文濤（西安電子科技大學(xué)天線與微波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710071）摘 要：本文提出了一種新型超寬帶平面單極子微帶天線，以平面正方形單極子天線為原型，通過(guò)改變輻射貼片與地板的形狀實(shí)現(xiàn)對(duì)原有天線性能的優(yōu)化，并通過(guò)在貼片上開一個(gè)U形槽

18、來(lái)實(shí)現(xiàn)陷波功能。通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)表明，該天線在頻帶內(nèi)反射系數(shù)均小于-10dB，在5-6GHz頻帶范圍內(nèi)具有陷波特性，從而抑制超寬帶系統(tǒng)與WLAN系統(tǒng)的干擾。關(guān)鍵詞：超寬帶，單極子，微帶天線，陷波特性Design of A Novel Ultra-wideband Planar Monopole Microstrip AntennaLi cunlong Wang haihua Shi xiaowei Xu le Li wentao(National Key Laboratory of Antennas and Microwave Technology, Xidian University of C

19、hina, Xian 710071)Abstract: A Miniaturized Ultra-wideband Planar Monopole Microstrip Antenna is designed. The antenna is based on the planar rectangle planar monopole antenna. By altering the figure of the radiation patch and the ground, the characteristic of the antenna can be improved, and a U-sha

20、ped slot is cut in the radiation patch to obtain the band-notch function. Experimental results show that the S11 in the work band from 2.3 to 13.5GHz less than -10dB. The antenna has a band-notched function in the frequency range of 5-6GHz. Thus, the potential interference between ultra-wideband sys

21、tems and WLAN system can be inhibited.Keywords: ultrawide band (UWB); planar monopole; microstrip antenna; band-notched function1 引言超寬帶（UWB）技術(shù)作為一種無(wú)線通信技術(shù)，在高分辨率超寬帶雷達(dá)、探底雷達(dá)、精確定位系統(tǒng)等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。最近，該技術(shù)在短距離室內(nèi)高速無(wú)線通信方面的應(yīng)用也受到了人們的關(guān)注。按照FCC規(guī)定，將3.110.6GHz之間7.5 GHz的頻段分配給超寬帶無(wú)限通信業(yè)務(wù)使用。UWB天線的設(shè)計(jì)與研究是超寬帶的關(guān)鍵技術(shù)之一。超寬帶天線是電子信息

22、戰(zhàn)中電子設(shè)備的關(guān)鍵部件，同時(shí)在脈沖雷達(dá)等時(shí)域系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用。隨著高速電子集成電路的發(fā)展，為了適應(yīng)集成電路小型化集成化的需求，超寬帶平面天線的研究與應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注。無(wú)限局域網(wǎng)系統(tǒng)（WLAN）的工作帶寬為頻帶，其包含于超寬帶（UWB）系統(tǒng)之中，為了抑制UWB系統(tǒng)對(duì)WLAN系統(tǒng)的干擾，通常在UWB系統(tǒng)中引入濾除窄帶的帶阻濾波器，但是這勢(shì)必會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，因此設(shè)計(jì)具有陷波特性的UWB天線具有實(shí)際意義。本文提出了一種新型超寬帶平面單極子微帶天線，以矩形平面單極子天線為原型，通過(guò)改變輻射貼片與地板的形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)原有天線性能的優(yōu)化，并通過(guò)在貼片上開一個(gè)U形槽來(lái)實(shí)現(xiàn)陷波功能。2 天線的設(shè)計(jì)

23、本天線采用不對(duì)稱梯形貼片和凹形地板結(jié)構(gòu)，并在天線貼片上開形槽來(lái)實(shí)現(xiàn)具有陷波功能的單極子超寬帶天線，結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線制作在相對(duì)介電常數(shù)r=2.65,厚度H=1mm損耗角正切tan0.001的聚四氟乙烯基板上，其尺寸為Wg×Lg，采用50W微帶線饋電，微帶線寬度Wf由公式計(jì)算Wf=2.7mm，幾何尺寸示于表1。本文利用基于有限元法的仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)天線模型進(jìn)行仿真。通過(guò)改變貼片與地板形狀可以進(jìn)一步減小天線的尺寸和展寬天線的阻抗帶寬。（a） 正面（b）背面圖1 天線結(jié)構(gòu)圖表1 天線結(jié)果尺寸WgLgWLW1L140mm50mm18mm19mm10mm2mmW2L2W3L3

24、L4W52mm3.5mm1mm10.5mm25mm21mmL5WsabWfLf4.5mm0.5mm9mm7mm2.7mm21.5mm對(duì)于單極子微帶天線,若采用正方形輻射貼片，矩形地板，則貼片大小與低點(diǎn)諧振頻率關(guān)系為： （1）其中L為正方形貼片邊長(zhǎng)，g為貼片到地板的間隙，h為介質(zhì)厚度。當(dāng)?shù)皖l=3.1GHz，間隙g=1mm，介質(zhì)厚度h=1mm時(shí)，計(jì)算得出正方形貼片邊長(zhǎng)L=21.2mm。圖2表明階梯形貼片結(jié)構(gòu)天線與階梯形長(zhǎng)寬相當(dāng)?shù)木匦钨N片結(jié)構(gòu)天線相比，貼片采用梯形結(jié)構(gòu)能大幅度提高中間頻段回波損耗特性，帶寬得到了提高。圖2 階梯狀貼片與矩形貼片結(jié)構(gòu)天線S11比較圖3表明凹形地板結(jié)構(gòu)天線與矩形地板結(jié)構(gòu)天

25、線相比，貼片采用梯形結(jié)構(gòu)能大幅度提高高頻段回波損耗特性，帶寬由原來(lái)2.4-9GHz提高到。圖3 凹形地板與矩形地板結(jié)構(gòu)天線S11比較并且采用梯形貼片結(jié)構(gòu)和凹形地板結(jié)構(gòu)所得的貼片與(1)式計(jì)算出來(lái)的正方形貼片相比較貼片面積減少22.2%，減小了天線尺寸。為了實(shí)現(xiàn)陷波特性而引入半波長(zhǎng)的諧振結(jié)構(gòu)，在貼片上開U形槽長(zhǎng)度約為需要抑制頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/2波長(zhǎng)時(shí)，在該點(diǎn)附近天線阻抗失配，駐波比顯著增加。U形槽的關(guān)系可用式(2)表示： （2）其中為陷波中心頻率，為光速，為U形槽的總長(zhǎng)，為相對(duì)有效介電常數(shù)。通過(guò)(2)式可求出U形槽的初始尺寸，然后仿真優(yōu)化。在通帶內(nèi)3G和10G處，電流主要集中在導(dǎo)帶和饋電附近，再

26、阻帶5.3G處，電流主要集中在U形槽附近，導(dǎo)帶上電流很少，天線在該點(diǎn)附近產(chǎn)生較大衰減和阻抗失配，形成陷波，其電流分布如圖4所示。(a) f=3GHz(b) f=5.3G(c) f=8GHz圖4 不同頻率的的電流分布圖5 U形槽長(zhǎng)度對(duì)S11頻率特性的影響由(2)式可知U形槽的總長(zhǎng)（=a+2b）與陷波有著密切的聯(lián)系，圖5表明隨著減小，陷波頻段向高頻端移動(dòng)。 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析帶陷波結(jié)構(gòu)的UWB天線實(shí)物如圖6所示。采用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)該天線實(shí)物回波損耗S11進(jìn)行測(cè)量，圖6給出了不帶陷波結(jié)構(gòu)超寬帶天線和陷波結(jié)構(gòu)超寬帶天線仿真值與測(cè)量值的對(duì)比。普通不帶陷波結(jié)構(gòu)超寬帶天線的S11在