一种宽频带低交叉极化伞形印刷振子阵列天线的设计.docx
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一种宽频带低交叉极化伞形印刷振子阵列天线的设计.docx
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一种宽频带低交叉极化伞形印刷振子阵列天线的设计
一种宽频带低交叉极化伞形印刷振子阵列天线的设计
陈盼曹祥玉张健徐晓飞
(空军工程大学电讯工程学院,西安710077)
摘要:
设计了一种伞形宽带印刷振子阵列天线。
振子单元采用平衡馈电balun结构馈电,使用3D电磁仿真软件(AnsoftHFSS)对天线性能进行了仿真计算。
为改善天线性能,设计了中心馈电双层振子辐射天线单元,并组成8元线阵。
通过优化设计,双层振子单元相对阻抗带宽(
)为38.8%。
交叉极化电平也得到改善,小于-45dB,前后比优于16.4dB。
阵列天线带宽达到39.4%,H面交叉极化电平小于-48dB,增益达到16.2dB。
天线具有良好的电性能和辐射性能,设计思路和方法亦具有很好的可扩展性。
关键词:
伞形印刷振子,阵列天线,宽频带,低交叉极化
DesigninginASortofWide-BandandLowCross-PolarizationPrintedDipoleArrayAntenna
ChenPanCaoXiangyuZhangJian
(ThetelecommunicationengineeringInstitute,AFEU,Shann’xi,Xi’an,710077)
Abstract:
Inthispaper,anovelwide-bandandhigh-gainprintedantennaispresented.Balancedmicro-striplinebalunisutilizedasfeedline,printeddipoleisadoptedasradiationelement.ThecharacteristicsoftheantennaarecalculatedbyAnsoftHFSSsimulationsoftware.Inordertoimprovetheparameter,adoubledipoleantennaispresented,whichconstitutean8-elementslinearray.Theresultshowthattherelativeimpedancebandwidthisabout38.8%(
)forthedoubledeckdipoleantenna.Acrosstheentireantennabandwidththefront-to-backratiowasbetterthan16.4dBandthecross-polarizationlevelisbetterthan-45dB.Thebandwidthofarrayantennaisupto39.4%,whilethecross-polarizationofH-planeislessthan-48dB.Thesimulationresultsalsoshowthatthegainofthearrayis16.2dB.Itrepresentsawellelectricityandradiationcapability.Themethodofdesigninghasagoodexpansibility.
Keywords:
arrayantenna;umbrellalikeprinteddipole;wide-band;lowcross-polarization
0引言
当前,随着通信技术的发展,在移动通信基站、车载台等通信领域中,要求天线实现信号的全方向覆盖,要采用全向天线。
而为了达到一定的覆盖范围,要求天线同时要具有较高的增益。
文献[1]设计了一种低交叉极化印刷振子天线阵列,工作频带宽,双面设计使交叉极化电平得到降低。
文献[2]化设计,重量轻,体积小,宽带性能较好,驻波1.2以下相对带宽为15%。
本文设计了一种采用平衡微带馈电结构的宽频带高增益低交叉极化双面伞形印刷振子天线单元,具有宽带、价格低廉和易于调谐的特点。
并由此分析设计了8元线阵,阵列具有宽频带工作特性。
1理论分析
宽带印刷振子的基本结构包括辐射臂和馈电电路,这两个部分改进变形后的适当组合就组成了各种不同类型的振子类型。
宽带印刷振子的辐射臂有单极子(如直振子、设计了一种阵列天线单元振子,实现了一体伞形振子、栅格状振子等)和双极子(偶极子)两种类型,馈电电路主要有集成balun、平行双线、渐变线等类型。
随着工程的需要和研究的深入,将会出现更多类型的宽带印刷振子结构。
1.1印刷偶极子辐射臂
印刷偶极子辐射臂,可利用等效半径的概念,等效为半径为
,长度为
的对称振子。
中心馈电带状振子的等效半径为[7]:
(1)
式中,
为带状振子的宽度;
为带线厚度。
振子辐射臂长度
,考虑到带状振子两个端头效应,振子的长度应当修正。
修正量为振子宽度
的四分之一。
即:
(2)
式中,
为振子实际上的几何长度。
求出辐射臂的等效半径和等效长度后,利用反应积分方程的矩量法解可以求出振子的电流分布,从而求得振子的输入阻抗和辐射方向图。
本文在上述理论分析的基础上,采用伞形辐射臂,改善了天线阻抗匹配,同时扩展了工作带宽。
1.2平衡馈电bulun结构[4-6]
利用简单的传输线理论,对平衡馈电结构进行分析。
同轴结构及其等效电路如图1(a)、1(b)所示。
(a)同轴馈电balun
(b)同轴馈电balun等效电路
图1
在平衡馈电balun等效电路中,有限直径的振子输入阻抗可简单描述为一个复数
,它是一个随工作频率变化的量。
则balun的输入阻抗
可以表示为
(3)
其中
(4)
式中
、
、
、
、
和
分别为图1-a中各段传输线的特性阻抗和电长度。
通过调节上述参数,可以使其阻抗在很宽的频带内匹配。
这种平衡馈电balun是双线对称式平衡器的改进型,它完成了从不对称馈线(同轴线)到对称天线(对称振子)的平衡—不平衡变换。
文中在上述分析的基础上对馈电结构做了优化设计,使阻抗匹配良好。
2设计及理论分析
2.1振子单元结构
天线单元结构共分四层,分别为铝板偶极天线、铜板、介质板和导带,其厚度分别为t1、t2、t3、t4,如图2所示。
图2天线结构侧视图
使用基于有限元法的3D电磁仿真软件(AnsoftHFSS)对单元模型进行优化设计,天线结构如图3所示。
设计中,采用介电常数为2.65的玻璃纤维强化聚四氟乙烯作为底板,底板厚度为1mm,微带线馈电耦合导带结构尺寸如图4所示。
导带厚度为0.1mm,宽w2=3mm,w3=1.2mm,w4=3mm。
介质板的另一面光刻上铜,用以装配振子时,使其与振子接触良好。
振子材料为铝,厚度为1mm,总长为93mm,宽为71.5mm。
在铝板偶极子及铜板中心上段开耦合缝,缝隙宽为3.4mm,长为53.5mm。
图3天线单元俯视图
图4耦合导带结构图
由于带宽受多种因素的影响,是一个多元函数,应采用优化设计,但考虑到单元变量较多,且一些实际情况无法考虑在内,本身的数学模型又比较粗糙,设计中先固定一部分量,求得较佳值后逐步调整固定量,使驻波比趋于优化。
得到如图5输入驻波比曲线。
图5天线单元输入端口驻波比曲线
分析可得,天线单元在1.12GHz—1.8GHz的频段内
,相对阻抗带宽为46.6%。
在1.16GHz—1.24GHz及1.62GHz—1.74GHz频段内
。
图6显示了频率在1.4GHz处天线E面和H面的主极化与交叉极化方向图。
在整个频带内E面交叉极化电平优于-20dB,H面则优于-25dB,前后比优于16.4dB。
图61.4GHz天线交叉极化方向图
为优化天线性能,在图3模型基础上,设计双层振子模型进行优化计算。
即在导带另一侧附加一层振子,使中心导带为上下两层振子馈电,形成带状线balun,从而减小天线横向交叉极化的电场分量。
模型如图7所示。
图7双层振子单元俯视图、侧视图
经过仿真计算及优化,得到如图8输入回波损耗曲线及图9交叉极化方向图。
图8双层振子输入端口驻波比曲线
图91.4GHz双层单元交叉极化方向图
由上图可知,该单元具有双谐特性,即在带宽内有两个谐振点。
单层单元两个谐振点相距较远,每个谐振点附近的驻波曲线较尖锐,谐振点之间的频率点上驻波较大。
对于双层单元,两个谐振点相距较近,且向低频偏移,两个谐振区部分重合,带宽内驻波相对较低。
在1.1GHz—1.63GHz的频段范围内
,相对阻抗带宽为38.8%,下降了约8%。
在1.12GHz—1.19GHz及1.3—1.48GHz的频段范围内
。
双层单元天线交叉极化与单层单元相比有较大改善,在整个频带内交叉极化电平低于-45dB,E面变化尤为显著,降低了-25dB以上,H面降低-20dB以上。
2.2阵列设计及结果分析
利用上述双层平面Balun伞形偶极子天线单元组成8元偶极子线阵。
图10所示为该阵列天线结构示意图。
接地板采用金属铝板,以便与铝板偶极子接触良好。
其尺寸为
,各单元平行放置,且均垂直于金属板,相邻偶极子单元间距为
,
为中心频率下自由空间波长。
由仿真结果得到阵列各个端口的输入驻波比曲线,如图11所示。
由图可知,在约1.1GHz—1.64GHz的频段范围内
,相对阻抗带宽达到39.4%。
图12给出了在中心频率点1.4GHz处H面主极化和交叉极化方向图,由图可知天线交叉极化电平低于-32dB。
天线仿真增益为17.4dB,如图13所示。
图10阵列天线结构示意图
图11阵列天线输入端口驻波比曲线
图121.4GHz阵列交叉极化方向图
图131.4GHz天线单元方向图
3结论
本文采用理论分析和AnsoftHFSS建模仿真的方法在对平面balun对称振子天线结构改进的基础上设计了一种伞形双层印刷振子阵列天线单元。
首先等效分析了振子辐射臂和馈电balun的有关特性,并在此基础上建立了仿真模型进行优化,该单元具有单层天线的宽频带特性,同时大大降低了天线交叉极化电平。
以此单元组成8元线阵,仿真结果表明,天线阵列工作带宽达到39.4%,交叉极化电平低于-32dB。
参考文献
[1]周占伟,杨仕为,聂在平.S波段宽带低交叉极化印刷偶极子阵列天线的设计.电波科学学报,Vol.23,No.2,April.2008,280-284
[2]孙绍国,张玉梅,卢晓鹏.L波段宽带超低副瓣印刷偶极子阵列天线研制.微波学报,Vol.22,Supplement,Jun,2006
[3]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安电子科技大学出版社,1991.
[4]W.K.Roberts.ANewWideBandBalun[J].ProceedingsoftheIRE.Dec.1957,Vol.45.pp.1628-1631.
[5]R.BawerandJ.J.Wolfe.APrintedCircuitBalunforUsewithSprialAntennas[J].IRETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques.May.1960,MTT-8,pp.319-325.
[6]G.Oltman.TheCompensatedBalun[J].IEEETrans.onMicrowaveTheoryandTechniques,March.1966,MTT-14,pp.112-119.
[7]C.M.Butler.TheEquivalentRadiusofaNarrowConductingStrip[J],IEEETrans.Antennas&Propagation,July.1982,Vol.AP-30,pp.755-758.
[8]E.O.Hammerstad.EquationforMicrostripCircuitDesign[C],Proceedings5thEuropeanConference,Step.1975,pp.268-272.
作者简介:
陈盼,男,河北保定人,硕士研究生。
主要研究方向为宽频带天线与天线阵列设计。
曹祥玉,女,陕西西安人,教授,博士生导师。
主要研究领域为计算电磁学、天线与电磁兼容、新型电磁材料特性等。
张健,男,山东烟台人,硕士研究生。
主要研究领域为智能天线波达方向估计。
徐晓飞,男,辽宁沈阳人,博士研究生。
主要研究领域为电磁场高效数值计算。
X波段宽频带高增益微带天线阵设计
陈盼曹祥玉徐晓飞张健
(空军工程大学电讯工程学院,西安710077)
摘要:
设计了一种用于X波段的宽频带微带天线单元并组成4元阵列。
该单元由双层微带贴片构成,利用微带口径耦合进行馈电展宽频带。
使用三维电磁场仿真软件(AnsoftHFSS)对微带天线进行了仿真优化,仿真结果表明,单元具有明显宽带特性,相对阻抗带宽(
)为46.8%。
天线阵列相对阻抗带宽(
)达到41.9%,增益达到14.1dB。
天线性能良好,设计方法具有很好的可扩展性。
关键词:
微带天线,宽频带,阵列,高增益
DesignonX-bandWidebandandHigh-gainMicrostripAntenna
ChenPanCaoXiangYuZhangJian
(ThetelecommunicationengineeringInstitute,AFEU,Shann’xi,Xi’an,710077)
Abstract:
Awide-bandandhigh-gainmicrostripantennaisproposedinthispaper.Adouble-layeredmicrostrippatchandaperture-coupledfeedingareusedtoenhancethebandwidthofmicrostripantennaelementatX-band.Byusingasoftwarefor3Delectromagneticfieldanalysis(AnsoftHFSS),theX-bandmicrostripantennaissimulatedandoptimizationoftheparametersofdesignisobtained.A4-elementarrayantenna,whichiscomposedoftheantennaelement,issimulated.Thesimulatedresultsshowthattherelativeimpedancebandwidthisabout46.8%(
)fortheantennaelementand41.9%(
)fortheantennaarray,andthegainisabout14.1dB.Themethodofdesigninghasagoodexpansibility.
Keywords:
microstripantenna,wide-band,arrayantenna,high-gain
1引言
随着现代无线通信技术的飞速发展,天线和天线技术的发展也是日新月异,天线形式更是层出不穷。
但一直以来,微带天线以其剖面薄、重量轻、体积小、成本低和易于加工等优点而越来越得到研究者的青睐[1]。
但是,普通的微带天线带宽一般相对较窄,这限制了它在许多无线通信系统中的应用。
因此,研究微带天线的宽频带特性一直是天线工作者们十分关心的问题。
经过许多专家学者、工程师的不懈努力,现在已有多种途径可用来展宽微带天线的频带。
通过采用双果表明,这是一种简单且行之有效的拓展带宽的方法。
但其缺点也显而易见,由于采用了双层贴片,天线剖面厚度增加,体积增大,不利于工程应用。
本文在优化设计天线结构增大带宽的同时,适当选取和优化天线基底介电常数与厚度,为工程应用提供了更大空间。
2微带天线分析方法
天线分析的基本问题是求解天线在空间建立的电磁场,求得电磁场后,进而得出其方向图、增益和输入阻抗等特性指标。
层贴片,实现双谐振增加带宽[2-4],研究结分析微带天线的基本理论可分为三类:
1传输线模型理论
2空腔模型理论
3积分方程法,即全波理论
近年来出现的格林函数法和矩量法也是对天线理论的发展补充,各有所长。
分析微带天线最早最简单又适合一般工程应用的理论模型是传输线模型。
该模型将微带辐射器单元看作一个场没有横向变化的传输线谐振器,场只沿长度成驻波变化,通常长度是半个波长,辐射主要是由开路端的边缘场产生。
微带贴片天线分析示意图如图1-a、b所示。
图1
天线贴片宽度
的大小影响着微带天线的方向性函数、辐射电阻和输入电阻,从而影响频带宽度和辐射效率。
贴片宽度
由下式决定,
(1)
当贴片宽度
大于上式时,微带贴片天线将可能产生高次模,引起场的畸变。
考虑到边缘缩放效应后,实际上贴片谐振长度
由下式决定,
(2)
其中,延伸量
(3)
有效介电常数
(4)
为光速,
为贴片天线的谐振频率,当在空气介质中时,有效介电常数为1。
用传输线模型计算微带天线的辐射场为
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