C波段宽带双线极化微带天线的设计

C波段宽带双线极化微带天线的设计C波段宽带双线极化微带天线的设计钱青洪玲伟(杭州电子科技大学微波与天线实验室浙江杭州 310018) 摘要: 设计一种工作在C波段(5.15-5.825GHz)的新型的双线极化高隔离度微带振子天线，主要应用于短距离的移动通信。天线单元采用双“H”缝隙地板、合理的振子排列方式及微带线馈电方式，通过HFSS软件的优化仿真，得到很好的结果，并组成2×2面阵，在整个频段内驻波比小于2，隔离度大于30dB，在中心频率5.54GHz时，E面最大辐射方向的增益为8.9dB;H面最大辐射方向的增益为11.2dB...

C波段宽带双线极化微带天线的设计钱青洪玲伟(杭州电子科技大学微波与天线实验室浙江杭州 310018) 摘要: 设计一种工作在C波段(5.15-5.825GHz)的新型的双线极化高隔离度微带振子天线，主要应用于短距离的移动通信。天线单元采用双“H”缝隙地板、合理的振子排列方式及微带线馈电方式，通过HFSS软件的优化仿真，得到很好的结果，并组成2×2面阵，在整个频段内驻波比小于2，隔离度大于30dB，在中心频率5.54GHz时，E面最大辐射方向的增益为8.9dB;H面最大辐射方向的增益为11.2dB。该天线体积小，有利于小型化和集成化。关键词: HFSS;C波段;双线极化;高隔离度中图分类号:TN82 文献标识码:A 文章编号:1671,7597(2012)0220070,02 0 引言双极化微带天线由于具有频率复用、收发一体化、极化分集、极化捷变、强抗干扰和高灵敏度等优点而被广泛应用。本文提出了一种新型的微带振子天线的设计思想和方法，在获得较宽的工作频带的同时，提高了两端口的极化隔离度。在5.15Ghz-5.825Ghz的工作带宽内，天线的驻波比均符合工作要求，两极化端口隔离度大于30dB，测试结果与仿真结果较吻合。 1 双线极化天线设计天线单元设计:如图1所示为矩形片状对称振子天线模型，长度为 L，宽度为W，利用多阶阻抗变换增大带宽，长度分别为l1、l2、l3，相对应的宽度分别为W、w1、w2。该贴片处于介质板的上层，介质板的下层为 60mm×50mm的矩形地面，介质板为FR-4，高度h=1.0mm，相对介电常数ε r=4.4，天线单元结构如图2(a)所示。地板结构如图2(b)所示，两个相互垂直的“H”形槽，一个“H”形槽的中央臂和另一“H”行槽的馈线相平行，此“H”形槽并不从另一馈线端口耦合能量，这将有利于降低两图4 馈电网络结构馈线间的互相耦合，提高微带天线的隔离度。馈线采用50Ω微带线，从振 2 仿真优化后的尺寸与结果分析子中心处使用微带线馈电，“H”形槽结构的尺寸大小如下图所示，可调通过对振子单元大小、地板缝隙尺寸、振子间距以及微带线宽度等参节“H”形槽的长度与宽度的值使天线的阻抗达到匹配。数进行优化仿真，使天线单元辐射频带宽度，两端口极化隔离度以及交叉极化电平均达到设计要求，优化后的参数如表1所示。表1 优化后的天线尺寸(单位:mm) 13 1112 W W2 1W L 图1对称振子天线模型 VP振子 LS 2.1 仿真结果 WS HP振子 Bs L W Ssh Bs WS Wsh 图2(a) 天线单元结构图图2(b) 地板结构图 2×2天线阵列设计:辐射单元的间距设计应考虑波束宽度的要求，辐射元与馈线间应有适当的间距和阵元的间距小于一个波长以避免栅瓣的产生。综合以上几点确定阵元间距为3λ/4=12mm。所以得到天线尺寸为: 140mm×120mm，高度为1.0mm。2×2面阵结构模型如图3所示，馈电网络如图5(a) 天线单元回波损耗图5(b) 两端口隔离度S21 图4所示。图5(a)为天线单元回波损耗仿真图，S11<-10dB阻抗带宽5.10- 5.93GHz，为830MHz，S11<-20dB阻抗带宽360MHz。图5(b)为两极化端口隔离度S21，在整个频率带宽内隔离度大于32.5dB，最大值达到40dB。图 6为天线单元在中心频率5.54Ghz的辐射方向图，最大辐射方向上增益达到 3.75dB。图7(a)是阵列两端口的回波损耗，从图中可以看出，两端口在 5.15-5.825GHz频率带宽内均能达到-10dB以下。图7(b)为阵列的两极化端口隔离度的变化图，在整个阻抗频率带宽内达到-30dB以下，最大值达图3 2×2面阵结构模型 702 到-70dB。图8为阵列天线在中心频率5.54GHz的仿真方向图，E面最大辐射方向的增益为 8.9dB， 3dB宽度为 36?。 H面最大辐射方向的增益为 11.2dB，H面3dB宽度为28?。图8(b) H面方向图 2.2 阵列天线加工与测试按照阵列天线的最优化参数进行加工，介质板采用介电常数为4.4，厚度为1.0mm的FR-4介质板，加工好的阵列天线实物如图9所示: 图6 中心频率处的辐射方向图图9(a) 天线正面图9(b) 天线反面由于自身加工精度问题，所以加工的天线阵列与仿真表现出来的回波损耗存在一些偏差。阵列的反面为带有四个“H”缝隙的地板与50Ω的SMA接头，由于条件限制，下面只对天线阵列的回波损耗进行了测试，通过网络分析仪对该阵列天线的回波损耗进行测量，测得回波损耗如图10所示: 图7(a)两端口反射系数图10 阵列天线回波损耗测试值从图4.18的回波损耗测试图可以看出，在5.15GHz到5.825GHz内，两端口的回波损耗均能达到-10dB以下，满足工程要求。图7(b)两端口隔离度3 结论本文设计了一款微带线侧馈的小型双极化微带天线。利用电磁仿真软件HFSS对天线进行优化设计，并进行了相应的实物制作和测试。实验结果表明:该天线工作频率宽带为5.15-5.825GHz，两端口极化隔离度达到 30dB以上，增益均达8dB以上，可应用于短距离的移动通信中。参考文献: [1]钟顺时，微带天线理论与应用，西安:西安电子科技大学，1991. [2] 洪家才、徐天东，宽频带微带天线的设计[J].宇航计测技术，2000， 20(3):40-44( [3]卢晓鹏、张玉梅，用于机载SAR的L波段双极化天线[C].烟台:第九届全国雷达学术年会论文集，2004:1008-1010. [4]刘玲玲、孙向珍、郭恒，C波段双线极化高隔离双极化微带天线的设计，遥测遥控，2011，32(3):47-50. 图8(a) E面方向图 711

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