一种双频圆极化微带贴片天线

一种双频圆极化微带贴片天线 李文明何建国 (国防科技大学电子科学与工程学院湖南长沙410073) 摘要：本文介绍了一种新型双频圆极化微带贴片天线．该天线采用贴片层叠结构和双点正交馈电，并利用在矩形贴片四 周加矩形突起的方法来调整谐振频率和馈电匹配．经实测天线在两个频点最大辐射方向上的增益分别达到了4．5dB和5．8dB，并 具有良好的广角圆极化性能．该天线尺寸小．重量轻，目前已应用于卫星通信的手持终端． 关键词：圆极化；微带贴片天线；双频： 双点馈电 中图分类号lTN820．11 文献标识码tA ADual·BandCircularlyPolarizedMicrostripPatchAntenna +LiWen-ming，HeJian-guo (CollegeofElectronicScienceandTechnology,NationalUniversityofDefenseTechnology,Chanzsha’410073，China) Abstract：Thispaperpresentsthedesignandtestingofanewdual-bandcircularlypolariz^Amiorostrippatchantenna．Multi-layer structureanddualcapacitivelycoupledfeed越employed,andamethodofaddingrectangularextends破theperipheryofthemain rectangularpatchesWaSusedtoadjustthe煳nallCefrequencyandinputmatch．Theantennapeakgains叭4．5dBiand5．8dBi respectivelyandwide7-rangecircularpolarizationWaSachieved．Nowthisantctmaisappliedinsatellitecommunicationhandsel Keywords：circularpolarization；microstrippatchantenna；dual-band；doublefeed 引言 近年来微带天线由于尺寸小，成本低，易实现 圆极化等优点在卫星通信系统和现代雷达系统中得 到广泛应用。在卫星通信系统中，一般要求天线能 实现双频工作，并要求有良好的线极化或圆极化性 能。目前，已研制出多种天线形式，在实现双频工 作的同时，保证良好的圆极化性能，特别是应用于 GPS的天线，国内外这方面的研究已经达到了较高的 水平IIJl2J，但是大部分都是采用的单点馈电实现圆极 化的形式pⅡ4】f5l，本文提出了一种采用双点正交馈电 实现圆极化的双频天线形式，利用叠层贴片实现双 频工作。上层贴片通过探针直接馈电，下层贴片遥 过电磁耦合来实现馈电。探针外接功分器和90度移 相器。整个天线结构紧凑，体积较小，用于卫星通 信个人用户机试验完全达到要求。 贴片作为电感性耦合元件． 介质板选用高介电常数陶瓷 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 ，介电常数约 为9．8，板厚为2．54nun，微带贴片形状如图所示，在 矩形贴片四边添加矩形突起，使电流沿突起曲折流 过而路径变长，使得贴片尺寸相对增加，可以适当 减小天线尺寸，适合对天线的谐振频率进行微调。 要想得到贴片的尺寸的天线参数的精确结果，必须 用严格的分析方法如全波分析法进行分析，在初步 设计时，可以先利用基于传输线法的一些经典公式 预先设定IoJ。矩形贴片的边长： 三=以／2—2xAL (1) 其中疋为工作频率介质内波长， 丸：=kf厄 I 天线设计 址为微带贴片边缘效应的等效微带线长度； 本文所提出的天线结构示意图如图l所示：天 线采用贴片层叠结构，上层辐射贴片辐射较高频率， 下层辐射贴片辐射较低频率，顶层贴片辐射时，下 层贴片作为它的接地面，当下层贴片辐射时，项层 (2) 一△￡：办×0．412×—(G+0．3)(W—／h+0．264)· (乞一0．258)(W／h+O．8)f3) 乞为等效介电常数，．W为微带宽度，h为介质板厚 199 度。 AB A，B外接功分移相器 ．图1天线结构示意图 对上层贴片有 占．：丝+型(1+坐)圳2‘ 2 2 ’ 形’ 而下层贴片处于介质板的中间，可令乞=乞来初步确 定。初步确立尺寸以后，再利用基于有限元法的 HFSS10．0软件进行仿真优化，得出合适的尺寸。 天线采用双点正交馈电，天线的馈电探针外接 微带功分移相器，以获得等幅信号和九十度相位差， 两个频率的激励均由这两个探针提供，因此需要两 组功分移相网络，但由于低频1．616GHz利用左旋圆 极化波，高频2．492GHz利用右旋圆极化波，且双频 分时工作，因此不存在收发隔离度的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。背馈探 针必须位于恰当的位置，才能使天线与50Q馈电线 匹配，顶层贴片的馈电点可通过HFSS仿真来确定， 下层贴片由于是和上层贴片共用探针耦合激励，因 此不一定匹配，为了解决这个问题，可以适当调整 矩形外围突起的长度和宽度，在不改变谐振频率的 前提下，使下层贴片与50Q馈电线匹配(贴片天线 匹配馈电点的位置随矩形突起的长度和宽度的变化 而变化，利用HFSS仿真证实了这一点。) 2实验结果及分析 以HFSS仿真所得天线参数为指导，实际制作 了天线并进行了调试，图2(a)，(b)分别为俩个频 段实测的驻波比，图2(c)，(d)分别为两个频段实 测的轴比。两个频段阻抗带宽(VSwRQ)分别约为 62MHz和68MHz；轴比带宽(轴比<3dB)分别为约 100MHz和l10MHz。带宽满足要求。图3为两个 频点相互垂商方向的归一化方向图，从图中可以看 出波束的3dB宽度均超过了90度。测量得出天线在 200 最大辐射方向上增益分别为4．5dB(1．6160Hz)和 5．8da(2．492GHz)，增益和带宽均达到了要求． 3结论 利用微带贴片层叠实现圆极化微带天线的双频工 作，通过仿真优化和实际调试，实验得出的阻抗和 带宽均满足要求。仿真结果和天线实测结果都表明． 囊●{0附 Jilt,,叛onz) (a)1．616GHz频段驻波比(b)2．492GHz频段驻波比 L ＼L ／ ＼／ 《 雹 一 譬 l 囊奉t蚴 (c)1．616GI-Iz频段轴比(d)2．492GHz频段轴比 图2两个频段驻波比和轴比实测曲线 ∞ 270 (a，1．616GHz时p=00平面方向图 ∞ 1戈7一谈‘j—^娜』觚 一＼彳弋_／ 210N，么／A、、名 Y ＼／／。240、、～ ．／蟊 (b)1．616GHz时妒=900平面方向图 2 ∞ (c)2．492GHz时缈=Oo平面方向图 gO 270 (d)2．492GItz时9=900平面方向图 图3两个频点相互垂直方向的归一化方向图 本文所采用的利用添加矩形突起的形式来调整谐振 频率和馈电匹配的办法，是一种行之有效的方法， 虽然同时也引起了天线阻抗带宽变窄，但带宽仍可 以满足卫星通信手持机收发天线的需要。 参考文献 (1】 Kai-PingYangandKin—LuWong。Dual-Band Circularly-PolarizedSquareMicrostripAntenna． IEEETransactionsonAntennasandPropagation，2001， 49(3)：377’382． [23DavidtPozarandSeanM．Dully。ADual-Band CircularlyPolarizedAperture-CmupledStacked MicrostripAntennaforGlobalPositioning Satellite．IH强TransactionsonAntennasand Propagation，1997。45(11)：1618’1625． f3]Jui—HartLuandKin-LuWong，Single-FeedCirculaxly ⋯⋯PolarizedEquilateral—TriangularMicrostrip AntennawithaTuningStub．IEEETransactionson AntennasandPropagation，2000，48(12)：1869’1872． [4]RaulR．RamirezandFrancoDeFlaviis。Single-Feed CircularlyPolarizedMicrostripRing^ntennaand ^rrays．IEEETransactionsonAntennasand Propagation，2000，48(7)：1040‘1047． [53胡明春等。宽带宽角四极化微带贴片天线设计，电波科 学学报。2001，16(4)：441’446． [6】张钧、刘克诚、张贤铎、赫崇骏编著，微带天线理论与 工程，国防工业出版社，1988． 作者简介：李文明 男，1982年出生，湖南望城县人．硕士研究生．主要研究方向为微带天线和射频电路的设计． 201 o与加∞渤茄锄啪加{o o 19啪惦∞粥∞弗加{o 一种双频圆极化微带贴片天线 作者： 李文明， 何建国 作者单位： 国防科技大学,电子科学与工程学院,湖南,长沙,410073 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分析。所设计的微带贴片天线在设计频段内反射损耗<-20dB,半功率波束宽度大于±60°。 3.学位论文 张继庆 基于GPS/GLONASS微带贴片天线的研究 2005 本论文全面系统地论述了卫星导航定位系统，包括系统组成和它的定位原理，并将GPS与GLONASS系统进行了比较，讨论了GPS/GLONASS组合定位系统 的应用和优势。本文的工作重点在于设计适用于GPS和GLONASS的小型化微带贴片天线，文中提出了一种新式单点馈电的小型圆极化微带贴片天线，采用 常用合成材料RT/duriod5880做介质基板，在方形贴片四周加载矩形凹陷槽来实现，它能有效地降低天线主模的谐振频率并实现圆极化辐射。即在频率固 定的情况下，切割缝隙后的微带贴片天线尺寸将缩小，实现微带天线的小型化。 　　最后，通过基于有限元的ANSOFTHFSS9.0软件仿真、分析小型化的兼容GPS和GLONASS的微带天线。设计结果已由仿真证实，证明了分析和设计的可行 性。 4.会议论文 洪涛.龚 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 喜.徐云学 一种新型圆极化微带贴片天线的辐射和散射特性研究 2009 本文提出了一种改进的宽带圆极化微带天线。该天线采用单端口、共面波导馈电。通过仿真优化、计算，获得了32.7％的圆极化轴比带宽 （AR<3dB），和47.6％的阻抗带宽（VSWR<2.0）。测量天线样机的阻抗带宽为44.4％，较好地吻合了仿真计算结果。最后对本文提出的天线的辐射特性 和散射特性做了仿真计算和分析。 5.期刊论文 张勇虎.周力.欧钢.ZHANG Yong-hu.ZHOU Li.OU Gang 一种双频双圆极化层叠结构微带天线的设计 -微 波学报2006,22(z1) 对一种新型的双频双圆极化微带贴片天线进行了研究,该天线可发射L波段的左旋圆极化信号,接收S波段的右旋圆极化信号.天线采用双馈点馈电的层 叠结构,利用宽带功分移相器设计馈电网络,为双馈点提供双圆极化所需的激励电流.贴片和馈电网络上附加短截线,通过调整短截线的长度,即可微调谐振 频率,使得天线的调试十分方便,又提高了天线的收发隔离度.该天线结构简单,调试方便,为便携式卫星通信机提供了一种实用的小型化收发天线. 6.学位论文 王波 宽频带微带贴片天线及其阵列研究 2008 本文主要针对宽频带微带贴片天线及其阵列进行研究。主要工作包括设计一个π形缝隙天线单元，并在此基础上设计一个宽频带的天线阵；设计一 个宽频带的圆极化天线，讨论不同大小的地板对圆极化天线的影响：将单元间的互耦公式在更宽的频率域上进行扩展。 首先，本文设计了一个边馈的π形缝隙贴片天线单元并在此基础上设计了一个宽频带的天线阵。 其次，本文设计了一个宽频带的圆极化天线，并在此基础上讨论了不同大小的地板对圆极化天线性能的影响。本文所描述的圆极化天线带宽达到 50％，改变地板的大小我们研究发现不同大小的地板对天线的方向图，增益，阻抗带宽，轴比都有一定的影响，我们提出了一些改善这种影响的方法。 最后，本文研究了天线阵列上单元间的互耦公式，将互耦公式中的12个系数在更宽的频率范围内进行拟合。改进系数后的公式能在能更准确的反应 在频带内两贴片间的互耦情况。 7.期刊论文 郭健.沈泉.GUO Jian.SHEN Quan 一种用于共形相控阵的宽频带宽波束双圆极化微带贴片天线 -现代电 子技术2007,30(8) 介绍了一种用于共形相控阵天线的宽频带宽波束双圆极化微带贴片天线,并利用Ansoft公司的电磁场高频结构仿真软件HFSS对所设计的天线进行计算 分析.所设计的微带贴片天线在设计频段内反射损耗小于-20 dB,半功率波束宽度大于±60°. 8.学位论文 杨兵 RFID阅读器天线分析与设计 2009 射频识别技术(RFID)是目前一种热门的非接触式自动识别技术，它利用无线射频方式进行非接触双向通信，从而达到自动识别目标对象并获取相关 数据，与其它识别方式相比，该技术具有识别精度高、速度快、环境适应能力强等许多优点。目前UHF频段和微波频段的RFID技术发展很快，阅读器天线 是RFID系统中的关键部分，因此它的研究与设计很重要。 本文对微波S频段RFID阅读器天线设计进行了研究，文中首先介绍了RFID的相关知识，并对天线设计的重要性做了简要介绍，然后对微带贴片天线和 它应用在RFID阅读器天线设计上的优势进行分析，并在其后采用微带贴片天线来设计阅读器天线。 其次本文对使用在便携式或手持式阅读器上的单片微带天线进行了研究，对采用的极化方式，基板材料进行分析，最后设计出一款同轴馈电单片圆 极化切角微带贴片天线，仿真结果表明该天线有着优良的性能，天线辐射方向性好，半功率波束宽度大于70°，阻抗带宽在200MHz左右，圆极化轴比带 宽在40MHz左右，峰值增益达到7.5dB，且该天线结构简单，易于制造，非常适合于使用单天线的RFID阅读器天线设计。 再次本文针对远距离阅读器天线需要高增益要求，对采用天线阵来设计阅读器天线的方式进行研究，并设计了一款四元阵的圆极化贴片天线阵，仿 真结果表明，其增益符合理论计算，在13dB左右，阻抗带宽70MHz，圆极化轴比带宽50MHz，半功率波束宽度在25。左右，能够运用在特殊场合(覆盖范围 不是很宽，阅读距离远，增益要求却很高)的RFID阅读器天线设计，最后文章对于采用阵列式的阅读器天线在实际设计中碰到的问题进行了简要分析。 9.会议论文 张继龙.卢春兰.钱祖平 一种新型的圆极化贴片天线的研究 2007 本文研究了圆极化微带贴片天线,通过在普通圆形贴片开槽,提出了一种结构新颖的圆极化贴片天线.仿真以及实测结果表明,该天线具有较宽的3dB波 瓣和良好的圆极化性能,并且新型贴片天线的尺寸要小于普通的圆形或圆环形贴片天线的尺寸. 10.学位论文 卞磊 宽带圆极化微带天线分析与设计 2008 自从20世纪70年代中期微带天线理论得到很大发展以来，由于微带天线体积小、重量轻、馈电方式灵活、成本低、易于与目标共形等优点而深受人 们亲睐，在雷达、移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统（GPS）等领域得到广泛的应用。圆极化作为微带天线理论和技术应用的一个重要分支，被广 泛的运用于雷达、导航、卫星等电子系统中。由于其特性，使得收发天线间有很强的角度位置定位灵活性，并且能减小信号的多路径干扰和其他的一些 影响。此外，宽带通信具有通信容量大、保密性好、抗多径干扰能力强等许多优点，是21世纪通信系统的发展方向，从而对通信设备的宽带化也提出了 越来越高的要求。其中宽带天线就是无线通信系统所要研究的一个重要部分。 本论文主要针对无线通信中的宽带圆极化微带天线设计、分析与应用技术进行了研究与探索。在研究中采用了理论分析、数值仿真和实验验证等手 段，提出了多种宽带圆极化微带天线结构，由于其卓越的宽带性能，成果已分别在本领域最高级别刊物IEEE Trans.On Antennas and Propagation，IET Microwaves Antennas&Propagation等上发表，集中体现了作者的研究成果。本文的主要工作如下： 1.研究了双馈电宽带圆极化微带贴片天线设计技术。在对圆极化天线的一般特点和基本要求进行探讨的基础上，针对微带天线带宽窄的固有缺点 ，采用了一种由3dB Wilkinson功分器和移相器组成的新型宽带馈电网络，运用L型金属棒进行旋转90°近耦合式双馈电，得到了具有宽带性能的圆极化 微带贴片天线。并在此基础上，对该天线的面电流分布及辐射特性进行了详细的研究和探讨，又提出了圆极化微带环形贴片天线。并针对该天线结构尺 寸进行了优化分析，采用了全波软件和aggressive space mapping （ASM）优化算法相结合的办法，为天线的结构最优化节省时间和硬件资源，得到了 良好的效果。 2.研究了四馈电宽带圆极化微带贴片天线设计技术。在对天线双馈电的基础上，对称增加一对L型金属棒进行馈电。这种对称结构有效消除了天线馈 电金属棒的辐射泄漏和之间的信号耦合，抑制了交叉极化，扩展了天线的圆极化带宽。并通过仿真和试验进行了验证。 3.研究了四馈电宽带圆极化缝隙天线设计技术。在接地板上开圆形槽进行电磁波的辐射，采用四条微带线进行馈电，不但具有宽带特性，而且具有 双圆极化性能。 4.研究了宽带圆极化微带天线阵的设计技术。在对单个宽带圆极化天线研究得到比较充分的结果后，继续对圆极化天线阵进行了研究。采用相位旋 转式单馈电形式的馈电结构对天线阵进行馈电，得到了良好的效果，在保证了一定的圆极化带宽的基础上，增加了天线的增益性能，并通过仿真和试验 进行了验证。 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6281488.aspx 授权使用：黄小强(wfxadz)，授权号：4fd89297-7fb5-42fc-8e24-9e6e00f74734 下载时间：2011年1月17日