一种新型宽带圆极化微带天线的设计

文章编号: 100526122( 2008) 0320021204 一种新型宽带圆极化微带天线的设计* 朱 莉 王光明 高向军 梁建刚 (空军工程大学导弹学院,三原 713800) 摘 要: 采用四层介质耦合馈电结构, 设计了一种新型宽带圆极化微带天线。选择方形倒角贴片为辐射单 元, 采用开路微带线耦合馈电, 附加一并联调谐枝节,不仅拓宽了阻抗匹配带宽, 而且有效改善了天线的圆极化轴比 特性。利用这样的圆极化单元,组成四元圆极化天线阵。经过计算和测试, 天线工作于 3. 0GH z时, 单元和天线阵的 阻抗带宽分别达到了 14. 3%和 31. 3% (VSWR< 2), 3dB轴比带宽分别达到 11. 67%和 29. 87%。这种结构的圆极化 天线阵在无线通信等领域应用前景广阔。 关键词: 微带天线, 圆极化,宽带, 平面阵 Design of a New C ircu lar Polar ization BroadbandM icrostr ip Antenna ZHU L ,i WANG Guan g2m ing, GAO X iang2jun, L IANG J ian2gan g (M issile Institute of Air Force Eng ineering Un iver sity, Shanxi 713800, China ) Abstr a ct: A new broadband c ircu lar polar ization m icrostrip antenna fed by e lectromagnetic coupling is designed, which is composed of four substra tes. The truncated2corner square patch is selected to be the radiation cel,l wh ich is fed by a openedm ic rostr ip line w ith the 508 charac teristic impedance. Through adjusting a turn ing stub, not only the frequency band is broadened, but also the c ircu lar polar ization axia l ra tio is e ffective ly improved. Then four such cells are constructed to be a circu lar polar ization array. Through calcu lating and testing, the 14. 3% and 31. 3% (VSWR< 2) bandw idth and 11. 67% and 29. 87% 32dB axial ratio bandw idth are ach ieved respective ly. Such c ircu lar polariza tion a rray can be used exten2 sive ly in commun ications fie ld. K ey word s: M icrostrip antenna, C ircu la r polar ization, Broadband, P lanar array 引 言 从微带天线的概念提出以来,由于它剖面薄,重 量轻, 可与载体共形 ,易与有源器件集成等优点 ,已 经被广泛地应用于卫星通信、导航等领域。尤其是 圆极化微带天线具有一些显著的优点 [ 1] : 任意极化 的来波都可以由圆极化天线收到, 圆极化天线辐射 的圆极化波也可以由任意极化的天线收到; 圆极化 天线具有旋向正交性, 圆极化波入射到对称目标反 射波变为反旋向等等。正是由于这些特点使圆极化 天线具有较强的抗干扰能力 ,已经被广泛地应用于 电子侦察和干扰、通信和雷达的极化分集工作以及 电子对抗等领域。然而,传统的圆极化微带天线,圆 极化带宽较窄 , 一般的单层单点馈电圆极化天线 3dB轴比带宽只有 3%左右, 尽管利用 3dB电桥两 点馈电可以拓展带宽 [ 2 ], 但在圆极化天线阵的应用 上结构复杂。文献 [ 3]和 [ 4]中分别介绍了单点馈 电方形圆极化贴片天线和单点馈电环形圆极化天 线, 文献 [ 5]、[ 6]、[ 7]分别介绍了四点馈电单贴片 圆极化天线和四个线极化元实现圆极化以及共面波 导馈电圆极化天线, 3dB轴比带宽尽管都有不同程 度的展宽 ,但是都存在馈电结构复杂的缺点 ,不适合 阵列天线的应用。本文主要 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和设计了一种多层 单馈宽带圆极化微带天线 ,在工作于 3. 0GH z时, 阻 抗带宽达到 14. 3% (VSWR < 2), 3dB轴比带宽达到 11. 67%。利用这种结构的圆极化单元组成四元圆 极化天线阵,阻抗带宽达到了 31. 3% (VSWR < 2), 3 dB轴比带宽更是达到了 29. 87% , 这种结构的圆 第 24卷第 3期 2008年 6月 微 波 学 报JOURNALOFM ICROWAVES Vo.l 24 No. 3 Jun. 2008 * 收稿日期: 2007204206;定稿日期: 2007208213 基金项目:国家 863 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ( 2003AA005044) 极化微带天线在无线通信等领域应用前景广阔。 1 天线结构及结果 1. 1 圆极化天线单元 多层耦合圆极化单元结构如图 1示。天线由四 层不同厚度的介质组成 , 这样的多层结构增加了天 线整体的厚度,对于增加阻抗带宽和圆极化带宽都 有明显地改进。选择方形倒角贴片为辐射元 , 采用 加载并联调谐枝节的开路微带线耦合馈电 , 通过调 整上下两个倒角贴片的尺寸 ,调谐枝节的尺寸和位 置以及开路微带线终端距离贴片中心的位置可以获 得较好的匹配特性。在此基础上, 再调整倒角的尺 寸可以明显改善圆极化特性。 图 1 天线单元结构 天线工作于 3. 0GHz时 , 选择 Er1 = 2. 6 5, h1 = 1. 5mm; Er2 = 2. 65, h2 = 1. 5mm; Er3 = 1. 0006, h3 = 5mm; Er4 = 4. 1, h4 = 1. 0mm。微带线特性阻抗 508 , 上下倒角贴片的中心重合。在参数调整过程中 ,选 择方形倒角贴片边长 P 1、P 2均以对应的 Kg /2为初 始值, 调谐枝节 P 3、w3和馈电位置 d1均以 0为初 值。在此基础上 , w2选择 10mm为最大值, 依次以 0. 5mm递减, w1选择 1mm为最小值,依次以 0. 5mm 递增, 并且适当调整 P 1,可以获得最佳匹配特性和 圆极化特性。 天线 1: P 1 = 40mm, P 2 = 30mm, P 3 = 6mm, w1 = 15. 5mm, w2 = 10. 5mm, w3 = 4mm, d1 = 0mm, d2 = 26mm。 天线 2: P 1 = 32mm, P 2 = 24mm, P 3 = 10mm, w1 = 9. 3mm, w2 = 6mm, w3 = 8mm, d1 = 4. 5mm, d2 = 17. 5mm。 天线 3 : P 1 = 32mm, P 2 = 16mm, P 3 = 8mm, w1 = 8. 7mm, w2 = 4. 5mm, w3 = 8mm, d1 = 3. 6mm, d2 = 12mm。 基于三维场仿真软件 (HFSS),图 2和图 3给出 了不同参数三种天线的输入驻波比和轴比的计算结 果。图 4给出了天线 2的远场方向图的计算结果。 选择天线 2, 从计算结果可以看出, 天线的阻抗 匹配带宽和 3dB 轴比带宽分别达到了 14. 3% (VSWR < 2 )和 11. 67% , 相比传统圆极化微带天 线, 带宽均有成倍增加。 1. 2 圆极化天线阵 利用四个上述单元组成圆极化阵, 单元依次旋 转 90b,馈电相位分别为 0b, 90b, 180b和 270b, 振幅 都相同。和四个线极化元形成圆极化类似, 在设计 22 微 波 学 报 2008年 6月 中辐射单元方向正交 ,这样辐射场分量也相互正交 , 通过调整馈线长度以保证单元间 90b相差的实现 , 具体结构如图 5示。 这样 xy面的总辐射场可以 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为 [ 1] : Exz = U1e j0b e- jk0dx s inH + V2 e j90b jk0dx s inH + U3 e j0b ejk0dx s inH+ V4e j90b - jk0dx s inH = (U1 e j0b + V4 e j90b ) e- jk0dxs inH+ (U3 e j0b + V2 e j90b ) ejk0dx s inH = ( Uej0b + Vej90b ) 2cos( k0dx s inH) 式中 U1 = U3 = U, V2 = V4 = V分别为等幅的水平 和垂直场分量,第一个 (括号中 )因子代表一圆极化 场 ,而余弦因子为阵因子。这样 1、2元因波程差所 引入的辐射场相移, 正好与 3、4元的波程差相移相 反 ,因而其效应互相抵消, 改进了圆极化场的轴比特 性。并且,这种安排对厚基片的高次模所引入的交 叉极化辐射也有抵制作用。因此, 利用四个圆极化 辐射元组合再次形成圆极化 ,不仅能在原有宽带圆 极化单元的基础上获得更宽的圆极化带宽 , 而且馈 电网络相对简单 ,有利于在平面阵列中的应用。 图 5 天线阵结构 加工过程中由于空气层采用泡沫填充, 因此上 层倒角贴片直接加工到覆盖层的底面上。下层倒角 贴片结构和覆盖层结构相似,为了节省空间,这里不 做说明。 1. 3 结果 天线单元参数选择: P 1 = 32mm, P 2 = 24mm, P 3 = 10mm, w1 = 9. 3mm, w2 = 6mm, w3 = 8mm, d1 = 4. 5mm, d2 = 17. 5mm; 阵元间距 0. 8K0, 采用简单 T 型功分器实现等幅差相馈电。天线阵的输入驻波 比 ,圆极化轴比以及远场方向图的计算和实测结果 如图 6、图 7、图 8和图 9所示。 在测试过程中,由于设备的限制 ,轴比只能选频 测试, 并且由于实验环境的影响 ,以及转台转动角速 度较大造成的天线抖动导致了实测方向图毛刺较 大, 副瓣不对称 ,但从实测结果仍可以得出, 天线工 作于 3. 0GH z时, 阻抗匹配带宽达到 31. 3% (VSWR < 2), 3dB轴比带宽达到 29. 87%。相对于普通圆 极化单元和四个线极化元组成的圆极化天线阵而 言, 圆极化带宽都有成倍增加。 2 结论 通过计算以及实验测试结果可以看出:采用多 层耦合馈电结构实现圆极化, 不仅可以获得较宽的 23 第 24卷第 3期 朱 莉等:一种新型宽带圆极化微带天线的设计 匹配带宽,而且较大地改善了圆极化轴比特性。同 时利用这样的四个圆极化辐射元再次组合形成圆极 化天线阵,通过功分网络的优化设计 ,不仅更进一步 拓宽了阻抗带宽 ,相对基本的单点馈电或单层多馈 点馈电方式 , 而且圆极化带宽也有了 2 ~ 3倍的增 加。这种圆极化微带天线阵馈电方式简单、节省空 间 ,尤其应用在平面阵上更是能改善馈电网络的布 局 ,减少馈电损耗。这种结构的圆极化微带天线在 无线通信等领域应用前景广阔。 参 考 文 献 1 12 钟顺时. 微带天线理论与应用 [M ].西安:西安电子科 技大学出版社 , 1991. 6 1 22 Q in XM. 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IEEE Trans on AP, 2004 ( 6): 1067 ~ 1069 朱 莉 1980年生, 女,上海人,博士研究生。主要从事天 线技术及雷达信号处理等方面的研究。 E2mai:l zb- 821@ 163. com 王光明 1964年生, 男, 安徽砀山人, 教授, 博士生导师。 主要从事电磁散射与辐射等方向的研究。 (上接第 16页 ) 线如图 7所示。从本文计算结果与其它软件计算结 果的对比可以看出,两者吻合得很好。 3 结论 本文的方法可应用于任意形状均匀涂层导体目 标和双层介质目标的计算。由于改变一次入射方向 就要重新计算一次目标表面的等效电磁流 , 本文仅 计算了目标的双站 RCS。各向异性介质涂敷、带状 (或部分 )涂敷目标的计算是下一步的研究方向。 参 考 文 献 1 12 鲁述, 徐鹏根. 电磁场边值问题解析方法 [M ]. 武汉: 武汉大学出版社, 1992 1 22 谢处方, 吴先良. 电磁散射理论与计算 [M ]. 合肥:安 徽大学出版社 , 2002 1 32 Michae l SYeung. S ingle integra l equa tion for e lectromag2 netic scattering by three2dimens iona l homogeneous dielec2 tr ic ob jec ts [ J]. IEEE Transactions on AP, 1999, 47 ( 10): 1615~ 1622 1 42 SadasivaM Rao, Donald R W ilton, A llenW G llsson. E2 lectromagnetic sca tter ing by surfaces of arb itrary shape [ J] . IEEE T ransactions on AP, 1982, 30( 3) : 409~ 418 1 52 谭云华,周乐柱. 快速多极子2边棱元混合算法分析三 维非均匀各向异性复杂目标的电磁散射 [ J]. 电子学 报, 2004, 32( 4): 620~ 624 1 62 Sheng X in2Q ing, Jin Jian2M ing, et, a.l On the formu la2 tion of hybrid fin ite2e lement and bounda ry2in tegra l meth2 ods for 32D scattering[ J]. IEEE Transactions on AP. 1998, 46( 3): 303~ 311 温定娥 女,工程师。 2004年 6月获华中师范大学理学硕 士学位。主要从事电磁场数值计算、目标电磁散射特性等方 面的研究。 E2mai:l wendinge@ 163. com 杨河林 男, 教授。主要从事电磁场理论与数值计算、目 标特性、电磁工程及应用等方面的研究。 24 微 波 学 报 2008年 6月