基于十字形缝隙耦合的宽带圆极化微带天线设计

基于×××模型的性能 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 研究 基于十字形缝隙耦合的宽带圆极化微带天线 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 何越1 余志勇2 路宏敏1 杨晔1 吉陈力1 （1. 西安电子科技大学 电子 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，西安 710071；2. 第二炮兵工程学院，西安 710025） 摘 要：为了改善微带天线的带宽性能，提出了一种采用十字形缝隙作为馈电方式，利用三个Wilkinson功分器组成馈电网络的宽带圆极化微带天线的设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。讨论了构建这种微带天线的基本技术，借助HFSS仿真软件进行设计和验证。依据设计结果委托专业研究所制作了实物天线，测试结果 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，该天线的阻抗带宽和3dB轴比带宽分别达到40.38%和20.7%，中心频率为2.6GHz，测量结果与仿真结果吻合良好，为低后瓣和宽带圆极化微带天线设计提供了一种新的工程设计方法。 关键词：微带天线；圆极化；缝隙耦合；Wilkinson功分器 Design of Wideband Circularly Polarized Crossed Aperture-coupled Microstrip Antennas HE Yue1 YU Zhi-yong2 LU Hong-min1 YANG Ye1 JI Cheng-li1 (1. School of Electronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China；2. The Second Artillery Engineering College, Xi’an 710025, China)2 Abstract: A method of designing a wideband circular polarized aperture-coupled microstrip antenna is presented in order to improve the bandwidth. A crossed slot is used as the feeding way and three Wilkinson power dividers as the feed network. The basic techniques of modeling this antenna is discussed, and verified using HFSS. A prototype is fabricated according to the design and measured. The experimental results show that the impedance bandwidth achieves 40.38% and that the axial-ratio value within 3dB is about 20.7%, with the center frequency of 2.6GHz. The measured results fit well with the simulated results. This design provides a method for low back lobe and wideband circular polarized microstrip antenna. Keywords: microstrip antenna; circular polarization; aperture-couple; Wilkinson power divider 0 引言 随着雷达，卫星通信，遥感等技术的发展，微带贴片天线被广泛地应用于蜂窝电话、全球定位系统和个人移动通信。由于其低成本，低剖面，易集成，结构紧凑，易于制造等诸多优点，微带天线在各个领域倍受青睐。但传统的微带天线也有频带窄，效率低，功率容量小等缺点[1-2]。 D. M. Pozar于1985年提出缝隙耦合馈电的微带天线 [3]，主要有如下优点：（1）缝隙耦合方式采用的是非接触的贴近式馈电，避免了传统探针馈电中引入的电感，并且在制造加工方面更为简单，也为多层介质、多层贴片以及构造天线阵提供了便捷。（2）地平面存在于天线辐射层和馈电层之间，隔离了微带电路部分和天线辐射层，降低了馈电网络部分的辐射，也便于两部分分别进行优化设计。（3）调节缝隙的尺寸和微带枝节透过缝隙的长度一般可以获得满意的匹配，并且缝隙相当于一匹配网络[4]，可以提供宽频带的驻波比特性。Vivek等人对不同缝隙的耦合情况作了分析计算[5]；除了缝隙耦合之外，多层贴片的堆叠设计也可增加天线带宽[6]。 为了产生圆极化，一般有单馈[7]和多馈两种方式，而多馈方式中一般又分为双馈和四馈。在缝隙耦合的微带天线中,双馈的方式一般是采用两条偏置的相互垂直的缝隙[8]，四馈则可以采用十字缝隙来馈电[9]。通常来说，单馈点的圆极化微带天线工作带宽较窄，两条偏置缝隙由于他们的不对称性会造成更高的交叉极化率，而十字缝隙耦合则可以较好地克服上述的缺点，实现较为理想的圆极化。 本文设计了一种十字形缝隙耦合的圆极化微带天线，贴片单元采用四路同时馈电，因而具有更好的对称性与稳定性；馈电部分采用3个Wilkinson功分器来实现幅度相等、相位正交的馈电。 1 天线设计 本文所设计天线的基本结构如图1与图2所示，主要由微带天线和馈电网络两部分组成，各部分参数符号已在图中标注。在十字缝隙的四个枝节处，分别有微带线对其耦合馈电，这四个耦合点由于功率相等，相位顺次相差90°，因此可得到较好的圆极化性能。微带线介质层采用较小的厚度，和较高的介电常数，以增强介质对场的束缚来减小背向辐射和争取更多的走线空间。上层辐射层介质采用较厚的厚度和较低的介电常数来增加带宽。除了上方的辐射方向，天线的四周用金属腔包围，起屏蔽和抑制后向辐射的作用。 图1 天线各层之间的结构 图2 缝隙馈电处的结构 L—贴片尺寸，h1—辐射层高度， εr1—辐射层介电常数 Wa—缝隙宽度，La—缝隙长度 Ls—匹配枝节长度，d0—两相对馈电点的距离 w—微带线宽度 h2—微带线层高度，εr2—微带线层介电常数 根据传输线理论，缝隙在一定程度上相当于槽线，能量首先从微带线耦合至槽线，再耦合到贴片辐射出去，因此调节缝隙的尺寸对于调节输入阻抗有较为明显的作用，缝隙长度增加，谐振频率下降，而调节缝隙宽度造成的变化不明显，且为了保证低的后向辐射，应选择一个较细的宽度。贴片在馈电处呈现的导纳则与贴片的尺寸和辐射层的高度有关。 为了不在正交的缝隙中产生激励，必须对十字缝隙进行平衡馈电，Pozar对这种馈电方式介绍了一种一般的方法[10]，我们借用这种设计方法并在仿真软件中加以实现。馈电网络的结构如图3所示。馈电点的位置决定了耦合方式为磁耦合，由于对称相消的原因，某端口不会对相邻端口产生影响，但是能量会耦合到对面的端口，从而造成输入阻抗的改变，因此引入等效阻抗参数，定义如下： 由上式可知，在考虑端口匹配情况时，不再是原本一般情况下的S11，而是要Γeff达到最小值。因此，在HFSS等软件中进行仿真设计时须注意，应使其S11与S13的和为最小值才能达到总反射最小的目的。 图3 馈电网络示意图 为了方便优化，辐射层和馈电网络可以分开进行设计，利用HFss.v13全波电磁仿真软件，可以较准确地得到结果。首先，对天线部分进行设计，通过调节缝隙长度，贴片尺寸，耦合馈电点的位置，以及微带枝节的长度，来使Γeff在工作频点处得到一个较小的值和一个较理想的带宽，可以认为此时天线有一个较好的匹配。然后，对一分四微带馈电网络进行设计，通过合适的微带线长度来合理设计威尔金森功分器和相位延长线，从而在四个端口获得幅度相等，相位相差90°的输出信号。 2 仿真及测试结果分析 通过在HFSS中优化，得出具有最佳性能的参数如表1所示： 表1 天线参数优化值 参数 优化值 εr1 2.65 εr2 6 h1 5mm h2 0.8mm La 20mm Wa 0.7mm L 27mm w 1.2mm Ls 6mm d0 13mm （a） 天线整体 （b）天线内部 图4 天线实物图 图4为该优化参数下的天线加工实物。采用矢量网络分析仪Agilent N5230A测试其驻波比特性，与仿真结果的对比如图5所示，驻波比带宽达到了40.38%。图6为方向图的测量结果，由于采取了屏蔽壳体，后向辐射得以减少。图7、8分别为天线的轴比和增益曲线，他们的性能在偏移中心频率以外急剧下降，这是由于馈电网络属于频变电路，随着波长改变，微带介质层中的功分器电路，相移电路以及匹配电路性能出现较严重的下降，因此优化馈电网络的带宽性能显得尤为重要。另外，由于采用了多个功分器网络，引入了较多的损耗因素，因此增益与传统微带天线相比略有下降，但是提高了对称性和相位中心的稳定性。 图5 仿真与实测反射系数曲线 图6 天线仿真方向图与实测方向图（φ=0°） 图7 天线轴比仿真与实测曲线 图8 天线最大增益仿真与实测曲线 3 结 语 本文探讨了一种十字形缝隙耦合馈电微带天线的设计方法，利用HFSS软件仿真并制作了实物，测试结果表明阻抗带宽和轴比带宽分别达到40.38%和20.7%，前后辐射比超过25dB，实现了低后瓣和宽带圆极化天线的设计。 参 考 文 献 [1]​ 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. [2]​ Lo Y T, SOLOMON D, RICHARDS W F. Theory and experiment on microstrip antennas and applications [J]. IEEE Transaction on Antennas and Propagation, 1979, 27: 137-145. [3]​ POZAR D M. A microstrip antenna aperture coupled to a microstrip line [J]. Electronics Letters, 1985, 21(1):49-50. [4]​ 张辉，张晓发，闫敦豹，等. 基于H形缝隙耦合的宽带圆极化微带天线[J]. 电子与信息学报，2007，29(4): 991-993. [5]​ RATHI V, KUMAR G, RAY K P. Improved coupling for aperture coupled microstip antennas [J]. IEEE Transaction on Antennas and Propagation, 1996, 44(8): 1196-1198. [6]​ TARGONSKI S D, WATERHOUSE R B, POZAR D M. Wideband aperture coupled stacked patch antenna using thick substrates [J]. Electronics Letters, 1996, 32(21): 1941-1942. [7]​ AKSUN M I, CHUANG S L, Lo Y T. On slot-coupled microstrip antennas and their applications to CP operation-theory and experiment [J]. IEEE Transaction on Antennas and Propagation, 1990, 38(8): 1224-1230. [8]​ ADRIAN A, SCHAUBERT D H. Dual aperture-coupled microstrip antenna for dual or circular polarization [J]. Electronics Letters, 1987, 23: 1226-1228. [9]​ TSAO C H, HWANG Y M, Kilburg F, et al. Aperture-coupled patch antennas with wide-bandwidth and dual polarization capabilities [C]// IEEE Antennas and Propagation Symp. Dig. New York, USA: IEEE. 1988: 936-939. [10]​ TARGONSKI S D, POZAR D M. Design of wideband circularly polarized aperture-coupled microstrip antennas [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1993, 41(2): 214-220 ____________________________________________________________________ 作者简介：何越、1989年出生、男、福建省南平市人、在读硕士研究生、研究方向为微波技术与天线、电磁兼容。 作 者 标 题 投稿栏目 通信Email 何越，余志勇，路宏敏，杨晔，吉陈力 　基于十字形缝隙耦合的宽带圆极化微带天线设计 　通信与信息技术：无线通信 spongebo@126.com 邮 编 地 址 收件人 电 话 710071 　陕西省西安市雁塔区太白南路2号 西安电子科技大学老校区 225号信箱 何 越 手机：15934877342