一种宽带贴片天线的设计与仿真

收稿日期 :2007 年 6 月 28 日 一种宽带贴片天线的设计与仿真 张玉发1 　刘春恒2 　吕跃广2 　孙晓泉1 (1. 电子工程学院 501 室 ,合肥 230037 ;2.中国北方电子设备研究所 ,北京 100083) 摘　要 　介绍了微带贴片天线的特点、原理和设计方法 ,针对孔径耦合的馈电方式 ,运用 以有限元法为原理的软件对设计的贴片天线进行仿真 ,并对天线 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 进行优化 ,结果 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 明 孔径耦合微带贴片天线结构简单 ,可以达到 21 %的相对带宽 (VSWR < 2) ,和较高的增益。 同时对影响天线性能的主要参数进行仿真对比 ,得出了实用性的结论 ,对方便有效地改进 电子对抗装备性能有一定的意义。 关键词 　微带贴片天线 　宽带 　仿真 Design and Simulation of a Kind of Wideband Patch Antenna Zhang Yufa1 　Liu Chunheng2 　Lu Yueguang2 　Sun Xiaoquan1 (1. Electronic Engineering Institute , Hefei 230037 ,China ;2. The Northern Institute of Electronic Equipment of China , Beijing 100083 , China) Abstract : The characteristics , principles and design considerations of the patch antenna are intro2 duced in this paper. According to the aperture2coupled feeding technique , the antenna is simulated and optimized in the design process. The simulation results show that the structure of the patch an2 tenna is simple , the relative bandwidth (VSWR < 2) of the antenna can achieve 21 % and the gain is high. Through simulation , the conclusion that the patch antenna is practicable can be obtained. This kind of patch antenna is useful to upgrade the performances of electronic warfare equipments. Keywords : microstrip patch antenna ; wide2band ; simulation 0 　引言 天线作为电子对抗系统不可缺少的一部分 , 它的工作带宽、增益等重要的特性参数 ,很大程度 上决定了其作用距离 ,包括侦察距离、干扰距离和 测向距离等。在同样的损耗环境下 ,天线增益高 , 作用距离就远 ,反之作用距离就近。然而 ,天线增 益不是可以无限制提高的 ,对于特定的天线 ,其增 益基本上是确定 ,有时为了在原有的基础上提高 天线增益 ,需要付出很大的代价 ,因此电子对抗装 备急需要高性能的天线来满足要求。微带天线由 于具有尺寸小、重量轻、结构牢固和工艺简单等优 点[1 ,2 ,3 ] ,同时还可方便的实现线极化或圆极化以 及双频工作 ,能和有源器件、电路集成为统一的组 件 ,简化整机的制作和调试周期 ,大大降低成本等 优势 ,因而越来越受到人们的关注。 2007 年第 5 期 2007 ,No. 5 电　子　对　抗 ELECTRONIC　WARFARE 总第 116 期 Series No. 116 但是由于微带天线的频带窄 ,损耗较大 ,因此 增益低 ,效率不高[4 ] ;为了扩展带宽和提高增益 , 可以通过增大基片厚度、改变辐射贴片的形状、附 加寄生单元、改变馈电网络等 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ,虽然目前取得 了一定的成果 ,但不可避免地增大了天线的几何 尺寸 ,同时使得天线的复杂程度增加 ,不便于加工 和使用[5 ] 。 为了保持贴片天线体积小、重量轻、剖而低、 可共形等优点 ,本文采用了孔径耦合微带馈电的 单层贴片来设计天线。 1 　微带天线结构 常用的微带天线是在一个介质基板上一面附 上金属薄层作为接地板 ,另一面用光刻腐蚀等方 法作出一定形状的金属贴片 ,这就构成了微带天 线[1 ,4 ,6 ] 。它利用微带传输线或者同轴线探针对 贴片进行馈电 ,在导体贴片和接地板之间激励起 射频电磁场 ,并通过贴片与接地板间的缝隙向外 辐射 ,因此微带天线也可看作为一种缝隙天线。 如图 1 所示 ,贴片尺寸为 W ×L ,介质基板厚度为 h ,εr 介质基板介电常数。 图 1 　微带贴片天线示意图 图 2 　矩形微带贴片天线电磁分布 2 　微带天线辐射机理 　　微带贴片也可看成宽为 W ,长为 L 的一段微 带传输线 ,一般取 L≈λg/ 2 ,其中λg =λ/ εr ,λg 是微带线上的波长 ,λ是自由空间的波长 ,其终端 处 ( W 边处) 因为呈现开路 ,将形成电压波腹 (波 节)和电流波节 (波腹) [1 ] ;于是另一端也呈现电压 波腹 (波节)和电流波节 (波腹) 。此时贴片与接地 板间的电场分布如图 2 所示。可以 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 出 ,沿两 条 W 边的磁流是同向的 ,故其辐射场在贴片法线 方向 ( x 轴)同相相加 ,呈最大值 ,且随偏离此方向 的角度的增大而减小 ,形成边射方向图。沿每条 L 边的磁流都由反对称的两部分构成 ,它们在 H 面 ( xoz)上各处的辐射互相抵消 ;而两条 L 边的磁 流又彼此呈反对称分布 ,因而在 E 面 ( xoy) 上各 处 ,它们的场也都抵消。因此 ,矩形微带天线的辐 射主要由两条 W 边的缝隙产生 ,该两边称为辐射 边。 微带线的馈线可以有多种方式 ,如同轴馈线 , 微带馈线和耦合馈线 ,同轴馈电的馈线虽然馈点 容易选择 ,但不易集成 ,而微带馈线由于馈线也是 辐射源 ,它的辐射对贴片的辐射产生干扰 ,影响整 个天线性能 ,并且天线的带宽也受到限制 ,综合考 虑到易于共形和增大带宽的要求 ,选用微带孔径 耦合馈电的方式 ,如图 3 所示 ,能量通过馈线进入 天线结构 ,再经过耦合孔使能量进入上面的贴片 辐射出去。通过谐振使能量通过馈线经耦合孔到 达贴片再辐射出去 ,其优点在于比同轴馈线易于 集成 ,微带馈线在后部 ,减少了馈线辐射对天线主 方向的影响 ,而且可以调节的参数多 ,通过优化调 节更利于扩展天线的带宽 ,其等效电路如图 4 所 示[4 ] 。 图 3 　孔径耦合微带馈线结构示意图 40　　　 电子对抗 2007 年第 5 期 图 4 　孔径耦合结构等效电路 由图 4 可知 ,由于接地板上的缝隙只截获贴 片上 x 方向电流的一小部分 ,因此第一个变换器 的变换比 n1 取为这部分电流与总电流之比 n1 = L4/ L ,第二个变换器计入微带馈线上由该缝隙所 引入的模电压变化量ΔV [4 ] : n2 = ΔV V0 ,ΔV =∫ S a E → a ×h → l ·d → s 式中 , E → a 为口径电场 , h → 为微带线归一化磁场 , S a 为口径面积 , V0 为缝隙电压。由缝隙近场的储能 所引入的电纳可简单地由两个短路槽线 (特性阻 抗为 Zca ,波数 ka)得出 : Ya = - 2 j Zca cot ( ka L4 2 ) ka 再计入开路微带线 L3 (特性阻抗为 Zc ,波数 kf )的 电抗 ,便得出总输入阻抗如下 : Zin = n 2 2 ( n21 Yp + Ya) - jZccot ( kf L32 ) 因为 n2 近似等于 L4/ ( weh) 1/ 2 , we 是微带馈 线的有效宽度 ,故输入电阻随缝隙长度增加 ,谐振 频率主要由 ( n21 Yp + Ya) 决定 ,这样可以通过改变 缝长 L4 来调节谐振频率。 3 　微带天线设计及仿真 微带天线单元的增益一般只有 6dB～8dB ,为 获得更大的增益 ,要进行多方的考虑 ,其设计结构 图及参数如图 5 所示 ,其中贴片的长度为 L1 ,馈 线超过耦合孔的长度为 L3 ,耦合孔的长度为 L4 , 宽度为 L2 ,馈线的宽度为 W ; h1、h3 分别为覆层 材料和介质基板的厚度 ,εr1、εr2分别为覆层材料 和介质基板的介电常数 , h2、h4 分别为上下空气 层的厚度 ,L 为整个天线的长度 ;图中上层阴影部 分为覆层 ,下层阴影部分为介质基板。 (a)侧面图 (b)俯视图性 图 5 　微带辐射天线的结构图 为方便加工 ,选取 h1 = h3、εr1 =εr3 ,由于天线 通常是放在装备外部 ,另加一层材料可以作为覆 层起到保护的作用 ,所以在仿真的中 ,贴片放在介 电常数为εr1的覆层材料下表面 ,整个天线的各个 元件可以用细金属柱固定。 由于所设计的天线中心频率为 3186GHz ,由 L1 =λg/ 2 =λ/ 2 εr经过计算 ,得到贴片的长度 , 初取为 L1 = 25mm ,由实际经验可知 ,耦合孔的长 度略小于贴片的长度能达到最优的效果[4 ] ,同时 耦合孔相当于狭缝 ,所以取 L2 = 2mm ,L4 = 24mm ; 为了使结构设计更加简洁 ,易于调试和加工 ,选取 的接地板长度与天线整体长度均为 L = 60mm ,同 时使贴片和接地板同为正方形结构 ;覆层和介质 基片的取常见且容易获的取介电常数为εr1 =εr3 = 2155 的材料的 ,由于其厚度是不连续的值 ,为 实现低剖面和易于加工 ,厚度取为 h1 = h2 = 1mm ; 最后为达到阻抗匹配 ,微带线的宽度 W 可以通过 下式[6 ]计算得到。 W h = 8exp ( A) exp (2A) - 2 式中 ,A = Z060 { εr + 1 2 } 1/ 2 + εr - 1 εr + 1 { 0123 + 0111εr } , B 总第 116 期 张玉发 ,等 :一种宽带贴片天线的设计与仿真 41　　　 = 60π2 Z0 εr , Z0 = 50 ,εr =εr1 =εr3 通过采用上面的参数对天线进行仿真 ,得到 的带宽和增益并不理想 ,因为各个参数匹配后才 能使天线达到最好的辐射效果 ,只有通过不断的 优化才能实现 ;于是对天线进行多次优化 ,得到了 比较理想的结果 ,并以此作为本文最后的仿真结 果。 对孔径耦合微带贴片天线 ,影响天线性能的 重要参数包括上下层空气的高度 h2、h4 ,微带伸 出部分的长度 L3 以及耦合孔的宽度 L2 等 ;其中 h2、h4 的值没有确定的计算公式 ,选取的依据是 优化后 ,以较低的剖面来实现较好的性能。如图 6 所示 ,可以从仿真图中直观地看出 ,在其他参数不 变的情况下 ,曲线与垂直虚线相交由上到下对应上 层空气高度 h2 依次为 5mm、515mm、6mm、615mm、 7mm ,可以看到 ,仅当空气高度为 6mm时 ,回波系数 在 - 10dB 以下的带宽最宽 (虚曲线所示) 。 图 6 　上层空气高度变化 图 7 　微带伸出部分的长度变化 微带馈线伸出耦合孔部分的长度 L3 近似为 L3 =λ/ 4[6 ] ,才能在孔的外边沿形成有效的短接 电路 ,但由于种种原因 ,介质介电常数 ,空气层高 度等原因 ,实际的长度要根据天线的要求来确定。 如图 7 所示 , 其他参数不变的情况下 ,曲线与垂 直虚线相交由上到下对应伸出部分的长度 L3 依 次为 7mm、712mm、714mm、716mm、718mm ,当长度 为 712mm 时带宽最宽 (虚曲线所示) ,长于 712mm 造成匹配不协调。 耦合孔的大小决定了传输线上的能量馈入贴 片的多少 ,它的位置放在天线的中心使电磁场耦 合达到目的最大 ,能量更多地进入贴片而向需要 的方向辐射出去 ,同时也可以提高带宽 ,如图 8 所 示 ,曲线与垂直虚线相交由上到下对应耦合孔的 宽度 L2 依次为 2mm、212mm、215mm、3mm、115mm , 从图中可以看出 ,在其他参数不变的情况下 ,在虚 线位置 (缝宽 L2 为 212mm)带宽最宽。 图 8 　耦合孔的宽度变化 图 9 　优化后天线的 S11参数 4 　仿真结果及结论 为达到最优的效果 ,均选用优化值 ,优化后的 各个参数为耦合孔的宽度 L2 为 212mm ,馈线超过 耦合孔的长度 L3 为 713mm ,上下空气层的厚度分 别为 h2 = 6mm , h4 = 2mm ,其他参数保持初始值。 42　　　 电子对抗 2007 年第 5 期 仿真结果如图 9、10、11、12 所示。图 9 是在驻波 比小于 2 时的 S11参数 ,图 10 是天线的增益 ,图 11 是微带天线 E 面方向图 ,图 12 是微带天线 H 面 方向图。 由图 10 可以看出 ,天线增益都在 8dB 以上 , 带宽为 21 %(3145GHz～4127GHz) ,这比采取展宽 带宽的措施而另加寄生单元的贴片天线的带宽 宽 ,是在传统简单贴片天线结构的基础优化所达 到的性能的提升 ,扩大了它的使用范围。 图 10 　天线的增益 图 11 　天线 E 面方向图 图 12 　天线 H 面方向图 在实际的优化过程中 ,有很多的参数可以调 节上下空气层的高度 ,介质材料的高度和介电常 数 ,馈线的宽度 ,孔的大小 ,伸出耦合孔部分的馈 线长度等 ,同时馈线的厚度没有考虑 ,而且在实际 加工的过程中也存在不确定的因素 ,会给结果带 来一定的误差 ,这是以后的研究工作中需进一步 改进的。 天线性能的好坏直接影响电子对抗装备的性 能 ,随着电子对抗技术的发展 ,车载、舰载、机载、 星载的长距离高效率等要求的系统对天线的要求 越来越高 ,在空间和其他资源受限制的条件下 ,对 原有天线装备进行优化改进也是一种行之有效的 途径。 参考文献 1 　张太远 . 用 IE3D 电磁仿真建模软件设计微带天线. 南 京邮电大学学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ,2006 2 　马汉清 ,姜兴. 一种小型化宽带贴片天线的设计. 广西 科学院学报 ,2005 ,21(增刊) :94～96 3 　韩玲 ,张志杰. 微带贴片天线的设计与仿真. 科技情报 开发与经济 ,2006 ,16(1) :169～271 4 　钟顺时 . 微带天线理论与应用. 西安 : 西安电子科技大 学出版社 ,1991 5 　T Huynh , K F Lee. single2layer single2patch wideband mi2 crostrip antenna. 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