展宽微带天线圆极化带宽的几种方法

展宽微带天线圆极化带宽的几种MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1714308348675_1 Ξ 唐祥生 , 顾长青 (南京航空航天大学信息科学与技术学院 ,江苏 　南京 　210016) 摘 　要 :本文在简要概述圆极化微带天线工作原理的基础上 ,重点介绍了当今国内外在展宽圆极化微带天线的 频带方面所做的研究 ,通过实例说明展宽频带圆极化微带天线的具体方法。然后展望了其可能的发展趋势。 关键词 :微带天线 ;圆极化 ;宽频带 中图分类号 : TN821. 1 　　　　文献标识码 :A 　　　　文章编号 :1672 - 755X(2004) 04 - 0022 - 04 Some Methods about Wideband Technology of Circularly Polarized Microstrip Antennas TAN G Xiang2sheng , GU Chang2qing (Nanjing University of Aeronautics & Astronautics , Nanjing 210016 , China) Abstract : The paper first gives a simple explanation of the principle of circularly polarized microstrip antenna. Then it mainly introduces the research home and abroad in expanding band of circularly polarized microstrip antenna. Through examples it explains ways of broadband circularly polarized micro2st rip antenna. Finally , several t rends of circularly polarized microstrip antenna are discussed. Key words : microstrip antennas ; circularly polarized ; wideband 引　言 自上世纪七十年代微带天线理论得到大的发 展以来 ,微带天线以其体积小、重量轻、低剖面、能 与载体共形等特点得到广泛应用。由于圆极化波 入射到对称目标 (平面、球面等)时具有旋向逆转的 特性 ,在移动通信和 GPS 定位系统中广泛采用 ;同 时圆极化天线可以接收任意极化的来波 ,而其辐射 波也能被任意极化的天线收到 ,其特性在电子侦察 和电子干扰中也普遍使用[1 ] 。然而微带天线固有 的窄频带限制了其进一步应用 ,因此许多研究者就 如何展宽微带天线圆极化带宽进行了诸多尝试 ,本 文将对展宽圆极化带宽主要的几种方法作一简要 阐述。 1 　微带天线圆极化的实现微带天线 圆极化的实现 　　微带天线产生圆极化波的关键是产生幅度相 等 ,相位相差 90°的两个线极化波。为达到以上要 求 ,利用微带天线实现圆极化辐射主要有以下几种 方法[2 ] : (1)正交馈电的单片圆极化微带天线 ; (2) 一点馈电或多点馈电的单片圆极化微带天线 ; (3) 由曲线微带构成的宽频带圆极化微带天线 ; (4) 微 带天线阵构成的圆极化微带天线。由于正交馈电 的圆极化微带天线 ,在馈电电路之间会引起不希望 的耦合 ,实际中较少使用。微带天线阵技术可以较 第 20 卷 　第 4 期 2004 年 12 月 　　　　 金 陵 科 技 学 院 学 报 J OURNAL OF J INL IN G INSTITU TE OF TECHNOLO GY 　　　　Vol. 20 ,No. 4 Dec. ,2004 Ξ 收稿日期 :2004 - 08 - 12 作者简介 :唐祥生 (1971 - ) ,男 ,江苏靖江人 ,工程师 ,主要从事微波技术研究。 大幅度地提高带宽 ,但它需要额外的馈电网络 ,天 线的体积较大 ,应用场合受到限制。对于单贴片微 带天线 ,在实现其圆极化的同时 ,天线满足小型化 的要求 ,但是圆极化带宽往往又受到一定程度的限 制。 微带天线的圆极化带宽参数常用小于 3db 的 轴比数和电压驻波比数 (VSWR ≤2) 来表示 ,有时 也以小于 10 db 的回波损耗数来描述。普通微带 天线的 3db 圆极化带宽常常小于 1 % ,用 VSWR ≤ 2 表示的阻抗带宽在 10 %以内 ,而现在采用新的馈 电方法或新型低 Q 值以及各向异性的材料作为微 带天线基片等方法[3 ] ,可以成功地将小于 3 db 轴 比提高到 15 % , VSWR ≤2 表示的带宽提高到 34 %。近来 ,有学者经过研究 , 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 了采用厚空气 层作基片介质 ,同时用两个缝隙耦合双馈或两个电 容耦合馈电的圆极化微带天线 ,其小于 3 db 轴比 提高到 46 % ,VSWR ≤2 的值提高到 65 %。虽然 带宽得到很大提高 ,但是结构复杂 ,体积较大。下 面将通过实例来说明各种展宽微带天线圆极化频 带的方法。 2 　展宽微带天线圆极化带宽的方法 2. 1 　圆极化曲线微带天线[ 2] 　　图 1 (a) 是圆扇形微带天线 ,一个端点是馈电 端 ,信号经过 2π相位传到另一端被吸收 ,在圆扇形 上构成行波。图 1 (b)是微带螺旋 ,一端馈电 ,一端 是吸收负载 ,电波在螺旋上形成行波。由于这两种 天线结构呈曲线状 ,曲线内边缘的磁流比外边缘的 ( a) 　　　　　　　　　　( b) 　 图 1 　圆极化曲线微带天线 短 ,由此形成了辐射源。由天线理论可知 :一圈有 2π相位的圆线行波天线可产生圆极化辐射 ,因此 对于图 1 中的天线模型 ,不但可以产生圆极化波 , 而且有很宽的带宽。例如设计一中心频率为 10 GHz ,基片εr = 2 . 32 ,厚度 h = 1. 59 mm ,圆扇形角 为 2850 ,中心半径 3. 44 mm ,线宽 4. 5 mm 时 ,其小 于 3 db 的轴比带宽约为 8 %。螺旋结构也有类似 的结果。其缺点是理论分析天线较困难 ,对天线的 制造公差要求较严格 ,实际中较少使用。 2 . 2 　单馈圆极化微带天线 单馈电微带天线有其显而易见的好处 :天线结 构简单 ,无需额外的馈电网络。为了展宽圆极化带 宽 ,单馈微带天线多采用缝隙耦合、邻近耦合、共面 波导等馈电方法。为了降低其 Q 值 ,基片多采用 较厚的泡沫材料或空气 ,厚度可以做到 0 . 054λ, 其中λ是自由空间的波长[5 ] 。耦合缝多采用一单 缝或等长的十字缝 ,也用不等长的十字缝或经变形 后的非线形耦合缝[4 ] ,缝宽对耦合程度影响不大 , 而缝长可比拟于贴片边长的一半[3 ] ,馈电微带线 与耦合缝的角度θ以及微带线偏离贴片中心点的 长度决定了天线能否匹配耦合。下面就是一个非 线形耦合缝宽频圆极化天线的例子[4 ] ,如图 2 所 示 :图中εr =ε2 = 4. 4 , h1 = 0. 8 mm , h2 = 1. 6 mm , w f = 1. 5mm , t = 23 mm , s = 5 mm , sarm = 6. 2 mm , 图 2 　缝隙耦合单馈圆极化微带天线 L = 33. 5 mm , W = 30 mm ,两端的两的 V 型耦合 缝与贴片水平放置 ,中间缝与 50 微带馈线成 450 放置 ,当馈线偏离中心 23 mm 时 ,天线达到最佳匹 配。基于矩量法对天线模型进行电磁仿真后得到 小于 3 db 轴比带宽为 2. 3 % ,VSWR ≤2 带宽为 9. 1 ,与文献[4 ]中实验的数据较吻合 ,其带宽大于普 通圆极化天线的 3 倍。 对于单馈单贴片微带天线 ,在贴片表面上开 U 型或者十字型等形状的缝隙[6 ] ,相对于未开缝的 普通天线 ,其天线尺寸减少 24 % ,小于 3 db 轴比约 为 1. 24 % ,对于单贴片天线来说 ,其性能已相当不 32　第 4 期 　　　　　　　　　　　　　　唐祥生 ,等 : 展宽微带天线圆极化带宽的几种方法 　　　　　　　　　　　　　　 错。另外 ,利用单馈双层或多层贴片 ,也是展宽微 带天线圆极化带宽的方法之一。 2 . 3 　双馈及四馈圆极化微带天线[4 ] 在双馈圆极化微带天线的设计中 ,常见的馈电 方法有三种 : (1) 使用 Wilkinson 能量工分器的两 缝隙耦合馈电圆极化微带天线 ; (2) 使用 Wilkinson 能量工分器的两电容耦合馈电圆极化微带天线 ; (3) Branch2line 耦合器的两电容耦合馈电圆极化微 带天线。为了有效降低天线的 Q 值 ,馈电基片介 质多采用较厚的空气或泡沫层 ,能量由如图 3 所示 的 Wilkinson 能量工分器提供两路能量等幅、相位 相差 90°的输入能量。图 4 是一个利用上述方法设 图 3 　Wilkinson 能量工分器 图 4 　电容耦合双馈圆极化微带天线[4 ] 计出的圆极化微带天线 ,其地面与贴片介质之间是 空气层 ,两电容耦合馈线正交于贴片放置 ,能量通 过 Wilkinson 能量工分器得到两路等幅 ‰ 相位差 90°的能量 ,再通过电容耦合馈电到天线贴片。其 小于 3 db 轴比带宽超过 40 %。 与图 4 双馈圆极化微带天线相似 ,四馈圆极化 天线则是利用电容耦合馈电输入四个幅度相等相 位分别为 0°、90°、180°、270°的能量 ,通过 Wilkinson 能量工分器进行分配 ,介质与地面之间是厚空气 层 ,其小于 3 db 轴比带宽可以达到 38 % ,增益达到 7 dbi。但缺点是馈电网络复杂 ,交叉极化水平较 高。 2 . 4 　圆极化微带天线阵 将 N 个相同的微带天线元以一定的规律排 列 ,通过微带线或馈电网络馈电 ,组成圆极化微带 天线阵 ,从而在带宽和辐射功率等方面得到大幅度 地提高。由于其突出的优点 ,微带天线阵在军事和 民用方面得到广泛应用。缺点是各天线辐射元之 间存在互藕效应 ,天线极化特性变差 ,体积较大等。 图 5 是个圆极化微带天线阵的例子[7 ] ,在图 5 (a) 中 ,通过顺序旋转馈电 ,使得微带贴片阵中第 m 个 贴片有φpm角的旋转 ,馈电相位相应有φem角的更 迭 ,每个 单元 初级会计实务单元训练题天津单元检测卷六年级下册数学单元教学设计框架单元教学设计的基本步骤主题单元教学设计 的辐射特性在球坐标的φ方向上有 2π/ n 的周期性 ,φ= ( m - 1) pπM , φpm = ( m - 1) pπ nM , p 是一个整数 , 1 ≤m ≤M 。M 是辐射单元 数 , n 是模数 ,当基模时为 1。图 5 (b) 和 5 (c) 是典 型的顺序旋转阵的实例 ,前者 m = 2 , p = 1 ,其中一 对贴片旋转 90°而不影响另一对 ,反之亦然。后者 m = 4 , p = 2 ,顺序旋转馈四个贴片单元。整个天 线的辐射场由各单元场迭加而得 ,以如此规律构成 矩形阵或其他线阵 ,不但有效提高了圆极化带宽 , 而且实验证明交叉极化辐射较小。 图 5 　顺序旋转馈微带贴片的结构 2. 5 　PBG结构圆极化微带天线 光子带隙 ( PB G)结构 ,它是一种介质材料在另 一种介质材料中周期分布所组成的周期结构。由 于电磁波在光子带隙结构中经周期性介质散射之 后 ,某些波段电磁波强度会破坏性干涉而呈指数衰 减 ,无法在该结构中传播 ,于是在频谱上形成带隙。 利用这一特性 ,有效地抑制微带天线的表面波 ,提 42　　　　　　　　 　　　　　　　　金 　陵 　科 　技 　学 　院 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　第 20 卷 高增益和带宽 ,成为当今国内外在微带天线领域的 研究热点。 应用于微带天线比较常见的 PB G结构大约有 以下几种 : 在基质上挖一个周期性网格的空气 洞[8 ] ;洞在中央周围有金属衬的方形网格[9 ] ;一个 周期性的金属面与辐射贴片共面印刷 ( UC2 PB G) [10 ] ;或者一个周期性网格的圆洞蚀刻在地平 面上[11 ] ,在以上所有 PB G结构结构中 ,文献[11 ]中 的天线结构既简单 ,又有效展宽了带宽 ,在实践中 较广泛地应用。图 6 是一个将 44 的圆洞蚀刻在地 平面上的典型 PB G天线[11 ] ,天线设计的关键是将 图 6 　PBG结构的微带天线 工作频率落在禁带频率范围内 ,为此选择空气圆洞 的半径为 r = 8. 75 mm , S = 35 mm ,接地平面的尺 寸 G = 150 mm ,矩形贴片 L = 30 mm ,经数值仿真 得到天线工作频率为 2. 541 GHz ,圆极化带宽为 25 MHz ,天线的其他性能也较好。根据不同的需 要 ,也可以将圆洞设计成正方形或三角形等形状。 3 　发展趋势展望 无论利用哪种技术展宽圆极化带宽 ,微带天线 小型化和宽频带永远是其发展方向 ,在雷达和无线 定位系统中也迫切需要圆极化微带天线能够实现 双频甚至多频操作。随着新的人工合成材料、有机 磁性材料、高温超导等新材料的出现并用作介质基 片[6 ] ,将有效地提高频宽 ,实现小型化。通过对贴 片加载电阻、电容、积分电路等技术 ,以及将 L 型 等各种馈电方式综合应用 ,也能有效地提高天线的 圆极化性能。圆极化轴比带宽窄的根本原因在于 维持恰当圆极化激励纯度的困难[6 ] ,应用 V 型或 其他三维馈电方式 ,甚至非平面微带天线设计等方 法都可以提高圆极化带宽[4 ] ,在一些特殊场合也 得到很好的应用。 总之 ,展宽圆极化带宽的方法多种多样 ,各种 方法都有优缺点 ,在带宽、增益、交叉极化、小型化 等方面往往是相互制约的 ,在设计过程中需要综合 考虑。 参考文献 : [1 ] 薛虞锋 ,钟顺时 . 微带天线圆极化技术概述和进展[J ] .电波科学学报 ,2002 ,17 (4) : 331 - 336. 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