一种新型双频双圆极化微带天线.docx
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一种新型双频双圆极化微带天线
一种新型双频双圆极化微带天线
曹宜森1,2卢春兰1彭川1
(解放军理工大学通信工程学院,南京210007)1(解放军93975部队)2
摘要:
本文给出了一种新型双频反向圆极化微带天线的设计。
该天线采用贴片层叠结构和单点馈电。
仿真和测试结果表明,该天线在工作频段内具有良好的输入特性和辐射特性,并且具有较好的广角圆极化性能。
关键词:
双频,双圆极化,单点馈电
ANovelDual-BandAndDualCircularPolarizationMicrostripAntenna
CaoYisen1,2LuChunLan1PengChuan1
(ICE,PLAUSTNanjing210007,China)1;(No.93975unitofPLA)2
Abstract:
Thispaperpresentsanoveldesignofadualfrequenciesanddualcircularpolarizationmicrostripantenna.Multi-layerstructureandsinglefeedareemployed.SimulatedcomputedbyAnsoftHFSS10.0andmeasuredresultsindicatedthattheantennahasagoodperformanceofreturnlosses,radiationpatternandwide-rangecircularpolarization.
Keywords:
DualFrequencies;DualCircularPolarization;singlefeed
1引言
近年来,微带天线由于具有尺寸小,成本低,易实现圆极化等优点在卫星通信系统中得到了广泛的应用。
在卫星通信系统中,一般要求天线能实现双频工作,并具有良好的圆极化性能。
目前,已研制出多种天线形式,在实现双频工作的同时,保证具有良好的圆极化性能,特别是应用于GPS手持终端的天线,已经有了很多的研究。
但是,在实现天线双频反向圆极化的性能中,大部分天线采用双点馈电,并且用功分移相器来实现天线的双频反向圆极化性能,如文献[1]~[4],这种设计方式无疑增加了天线的复杂程度,提高了天线的制作成本。
而单点馈电圆极化微带天线无需功分器、移相器等正交馈电网络,用作相控阵天线单元时,其复杂的馈电网格可以得到有效简化,虽然现在对于单馈点的双频同向圆极化的微带天线有一些研究,但对于单馈点双频反向圆极化的微带天线却很少见到相关的文献。
本文基于上述背景,提出了一种采用单点馈电实现双频反向圆极化的双频微带天线形式,利用层叠贴片来实现双频工作,上层贴片采用探针直接馈电,下层贴片通过电磁耦合馈电,利用在贴片上开槽来实现天线的圆极化。
整个天线结构简单,易于加工制作,仿真和测量结果表明,该天线完全能应用于卫星通信手持终端。
2天线设计
天线的结构如图1所示。
该天线由工作在两个频段的方形微带贴片层叠起来,形成双频圆极化天线。
物理尺寸较小的微带贴片放在上层,物理尺寸较大的微带天线放在下层。
探针通过下层贴片上的钻孔连接到上层贴片上,下层贴片是上层贴片的寄生单元,通过上层贴片电磁耦合馈电。
上层贴片辐射较高频率,下层贴片辐射较低频率,上层的贴片辐射时,下层贴片作为它的接地面;下层贴片辐射时,上层贴片作为电感性耦合元件,天线的等效原理图如图2所示,f1、f2分别为两个贴片的谐振频率。
天线上下介质均采用介电常数
,损耗角正切
的F4B-2材料,上层介质和下层介质的厚度分别为h1,h2。
图1天线结构图
单点馈电的圆极化微带天线利用简并分离元微扰技术,在普通圆形微带天线的基础上,加入微扰,形成简并分离,适当调节微扰量,使天线产生两个正交极化波的简并模,其中一个模电压的相位比另一个模的模电压超前90°,这样在远场区就形成了圆极化。
本文采用在方形贴片上开槽的方式来实现圆极化辐射,其中,在下层贴片上沿x轴方向开槽,如图1(a)所示,以实现在低频工作时的右旋圆极化辐射;在上层贴片上沿y轴方向开槽,如图1(b)所示,以实现天线在高频工作时左旋圆极化辐射。
天线采用50Ω的铜轴线来馈电,馈电点位置在正方形贴片的对角线上。
图2天线等效原理图
由于天线的参数比较多,在确定初步设计时,可以利用文献[5]中对于单片方形圆极化贴片天线设计公式计算天线各参数的初步值,得到初步值之后,采用基于有限元法的商业软件AnsoftHFSS10.0对该设计进行仿真,得到了一些有用的仿真结果。
通过大量的仿真发现,天线在低频端的谐振频率主要取决于L1,在高频端的谐振频率取决于参数L2,天线的驻波比随L1,L2的变化关系如图3,图4所示。
图3天线驻波比随L1变化曲线
图4天线驻波比随L2变化曲线
天线在低频端的轴比主要取决于LS1和馈电点的位置,在高频段的轴比主要取决于LS2和馈电点的位置。
经过优化设计,天线的具体参数如表1。
表1天线结构基本参数
L1/mm
56.8
L2/mm
45.4
LS1/mm
5.2
LS2/mm
6
WS1/mm
2
WS2/mm
2
Ex/mm
11.6
LG/mm
80
Ey/mm
11.6
h1/mm
3
h2/mm
2.7
3结果与分析
在上述的分析下设计并加工了工作于
,
两个频段的天线,工作于
时为右旋圆极化,工作于
时为左旋圆极化。
采用HFSS10.0进行仿真,并加工了实物,如图5所示。
对实物天线进行了测试,得到该天线工作于f1、f2时的驻波比如图6所示,由图可知,天线在
,
两个频段内驻波比皆小于2;
图5天线实物图
图6天线的仿真和实测驻波曲线
天线的轴比仿真和实测曲线如图7所示,在
,
内,天线的轴比皆小于3dB;具有良好的圆极化性能。
但是,实测曲线和仿真曲线有一点偏差,这主要是由于加工误差和实测误差而引起的。
图7天线的仿真和实测轴比曲线
采用HFSS10.0仿真,天线在两个频段上的增益如图8所示。
由图可以看出,该天线在低频段的增益大于
,在高频端的增益大于
,这说明天线具有较高的辐射效率,但是,天线在高低两个频段的增益相差较大,这是由于在高频段,天线采用的是由探针直接馈电,故增益较高,而在高频段,天线采用的是电磁耦合馈电,故增益较低。
图8天线的增益仿真曲线
天线在两个谐振频段上的方向图仿真结果如图9所示、实测结果如图10所示。
从仿真和实测的方向图可以看出,天线的波束很宽,具有良好的广角性能,因此能适用于卫星定位系统手持终端的系统要求。
图9天线的仿真方向图
图10天线的实测方向图
4结论
本文采用层叠结构和单点馈电的方法设计了一种双频反向圆极化的微带天线,该天线在
频段内辐射右旋圆极化波,在
频段内辐射左旋圆极化波,且具有良好的广角圆极化性能。
与传统的双频反向圆极化天线相比,该天线采用单点馈电,大大简化了天线结构,降低了制作成本。
因此,这种天线具有良好的实用性和应用前景。
参考文献
[1]kai-PingYangandKin-LuWong,Dual-bandCircularly-PolarizedSquareMicrostripAntenna.IEEETransactionsonAntennasandPropagation,2001,49(3):
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[3]CroqF,PapiernikA.Widebandaperturecoupledmicrostripantenna.ElectronLett,1990,26(16):
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[4]史清李杨王家勇梁旭文,双频双圆极化带天线实验设计。
微波学报,2004,20(4),90~92。
[5]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.
作者简介:
曹宜森,男,硕士,主要研究领域为天线技术。
一种用于海事卫星通信的微带阵列天线的设计
廖学介1杨宏春2
(电子科技大学应用物理研究所,成都610054)
摘要:
结合经验公式和仿真软件,设计出了一种用于海事卫星通信系统的圆极化微带阵列天线。
天线采用双层结构,介质基片选择泡沫材料,并采用正方形切角的方式实现圆极化。
利用高频电磁仿真软件AnsoftHFSS对该阵列天线进行了仿真优化。
仿真结果表明,该天线具有良好的宽频带特性,天线在整个海事卫星通信工作频带内驻波比小于1.5,同时天线的最大增益达到13.5dB。
关键词:
微带阵列天线,层叠贴片,圆极化,驻波比
Designofmicrostriparrayantennaformaritimesatellitecommunication
LiaoXuejie1YangHongchun2
(InstituteofAppliedPhysics,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu610054)
Abstract:
Acircularlypolarizedmicrostriparrayantennaformaritimesateltecommunicationwasdesignedbycombiningtheexperimentalformulaeandthesimulationsoftware.Adual-layerstructurewasproposed,andthefoamwaschosenasthemediumsubstrate,theantennaiscircularly-polarizedbycorner-truncatedsquarepatch.TheAntennadesignedwassimulatedandoptimizedbyHFSS.Thesimulationresultsshowthatthisantennahasgoodwidebandcharacteristic.TheimpedancebandwithforVSWR<1.5inthewholeINMARSAT(InternationalMaritimeSatelliteOrganization)communicationworkbands,andthemaximalgain13.5dBisalsoachieved.
Keywords:
Microstriparrayantenna;Stackedpatch;Circularpolarization;VSWR
1引言
BGAN是宽带全球局域网(BroadbandGlobalAreaNetwork)的英文缩写,是国际海事卫星组织(Inmarsat)提供的第四代全球移动卫星通信系统。
该系统的接收和发送频率分别为1525~1559MHz和1626.5~1660.5MHz。
为了收发共用一个天线,候选天线的工作频率应为1525.0~1660.5MHz,其百分比带宽为8.5%。
海事卫星通信天线采用微带天线的结构是一种合理的选择。
这是由于微带天线具有地剖面、体积小、重量轻,并且较易实现圆极化和多频段工作等优点。
然而常规的微带天线带宽较窄,无法满足这种要求。
展宽带宽的方法很多,基本方法是降低微带基板材料的相对介点常数,增大微带基板的厚度,从而降低谐振Q值,其他的方法还有附加寄生贴片和采用双层、多层结构[3],电容耦合馈电技术[4],缝隙耦合馈电技术[5],天线阵技术[6]等。
目前海事卫星移动终端天线主要采用微带功分网络对各阵元等功率馈电。
由于使用微波介质材料的成本较使用泡沫材料的成本高,为了克服这个缺点,本文设计了一种低成本、易加工并且符合BGAN业务要求的宽频带微带阵列天线。
该天线采用双层正方形微带贴片天线的形式拓宽天线的阻抗带宽,采用切角的方式实现圆极化特性。
2天线的结构和初步设计
设计的单元天线结构如图1所示。
上下两层贴片同心层叠放置。
下层贴片作为激励单元,是边长为l1、三角形切角直角边长为c1的正方形,其谐振频率较低。
下层贴片作为寄生单元,是边长为l2,三角形切角直角边长为c2的正方形,谐振频率较高。
激励单元与地面之间是厚度为d1、介电常数为1的介质。
两贴片单元之间是厚度d2、介电常数为2的介质。
适当选择l1、l2、c1、c2、d1、d2、1、2等参数可调整这两个频率,使其适当接近,从而形成频带适应展宽的双峰谐振电路。
上下两层介质均选用低介电常数泡沫材料支撑并组成天线阵以展宽带宽和提高增益。
图1天线单元结构示意图
双层微带天线阵的结构十分复杂,要得到精确的分析结果,必须用严格的全波分析法进行分析。
然而在实际的工程中,往往利用一些经典公式[1,2]初步确定天线的尺寸,获得单元天线设计的起点。
设激励单元和寄生单元的谐振频率分别为f1和f2,贴片形状为正方形,则有
(1)
(2)
(3)
(4)
其中,c为自由空间中的光速,i=1,2。
根据上述公式,选择介质基板的厚度和介电常数,便可以确定单元贴片的大小。
然后利用全波分析软件AnsoftHFSS,对天线阵进行仿真得到工程需要的参数要求。
最后单元天线的设计参数如下:
l1=86mm,l2=76mm,c1=19mm,c2=17mm,d1=d2=6mm,1=2=1.05
微带天线单元的增益一般只有6~8dB。
为了获得更大的增益,或为了实现特定的方向性,常采用由微带辐射元组成的微带阵列天线。
所以,这里采用4个单元天线来组成2乘以2的平面阵,设计的天线阵和功分网络示意图如图2所示。
根据经验[7],阵元间距为半个波长时,增益特性比较好。
但是天线单元之间互耦严重,可能影响阻抗匹配。
单元间距大一些,可以减少互耦对天线阵性能的影响。
天线采用并联等功率馈电,馈电网络和下层贴片位于同一层。
馈线的长度和宽度的初始值由ADS仿真软件中的传输线计算工具算出。
然后在HFSS软件中优化得到最后结果。
图2天线阵和馈电功分网络示意图
3天线阵的仿真结果
天线阵的仿真结果如图3~5所示。
图3是天线回波损耗S11仿真结果,在整个工作频带内,回波损耗大于10dB,最低点出现在1609MHz,与设计的中心频率1590MHz接近。
由于设计的双峰频率接近,频带展宽后使得仿真结果呈现单峰。
中心频率处的增益方向性如图4所示,天线具有较好的主瓣方向性,副瓣电平和后瓣电平都比较低,天线阵增益为13.5dBi。
图5为中心频率处的轴比仿真结果,从图中可以看到天线在θ角从-60度到+60度的范围内轴比小于6dB,在工程上可以认为是圆极化的工作方式。
图3天线回波损耗仿真结果
图4天线在1609MHz的增益方向性仿真结果
图5天线在1609MHz的轴比仿真结果
4结论
设计了一种应用于BGAN通信系统下的地面移动终端天线,天线在整个海事卫星通信工作频带内有较好的特性,驻波比小于1.5,增益高于13dB。
该平面阵列天线具有成本低廉,加工简单,适合大批量生产制作等优点,其结构很容易与载体的表面融为一体。
例如,可贴在建筑物的外表面上,和船舶、车辆、飞机等交通工具的外壳上。
参考文献
[1]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:
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[7]邰佑诚,栾秀珍,金珍等.天线与电波传播[M].大连海事大学出版社.2002
作者简介:
廖学介,男,硕士生,主要研究领域为电磁场与微波技术。
杨宏春,男,副教授、硕士生导师,主要研究领域为电磁场与微波技术等。
分形圆极化双频微带天线
林澍1,2韩雪2李文军2杨彩田2邱景辉2王进祥3
(哈尔滨工业大学电子科学与技术博士后科研流动站,哈尔滨150080)1;(哈尔滨工业大学电子与信息工程学院,哈尔滨150080)2;(哈尔滨工业大学微电子科学与技术系,哈尔滨150080)3
摘要:
研究了一种单馈点右旋圆极化双频微带天线。
通过双层贴片实现双频,微带贴片采用Crown方形分形结构,通过激励起两个相互正交的简并模实现圆极化。
采用CSTMWS®软件进行仿真,结果表明在微带贴片的对角线临近区域用探针馈电,可以实现圆极化辐射。
用FR4材料做介质基片制作了天线实物并进行测试,该双频天线在1.616GHz和2.49GHz两个频点处,阻抗带宽(VSWR<2)为2.4%,6dB轴比带宽为2%,增益0dB以上,实验结果与仿真结果基本吻合。
关键词:
微带天线,圆极化,分形,双频
AFractalCircular-PolarizationandDual-FrequencyMicrostripAntenna
LinShu1,2HanXue2LiWenJun2YangCaiTian2QiuJingHui2WangJinxiang3
(ElectronicScienceandTechnologypost-doctoralresearchcenter,HarbinInstituteofTechnology,Harbin,150080,China)1;(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin,150080,China)2;(DepartmentofMicroelectronicsScienceandTechnology,HarbinInstituteofTechnology,Harbin,150080,China)3
Abstract:
Arightcircular-polarizationanddual-frequencymicrostripantennawithsinglefeedingpointispresented.Double-patchisusedtoachievedual-frequency.ThemicrostrippatchhasCrownfractalstructurewhichgeneratestwoorthogonalmodestorealizecircularpolarization.TheantennaissimulatedonthesoftwareCSTMWS®.Thesimulationresultsshowthattheantennacanrealizethecharacteristicofcircular-polarizationwiththefeedingpositionaroundthediagonallineofthepatch.TheantennaismanufacturedonFR4boardandmeasured.Theexperimentalresultsshowthattheantennaworkat1.616GHzand2.49GHz,theimpedancebandwidth(VSWR<2)upto3%,6dBaxialratiobandwidthof2%,gainmorethan0dB,theexperimentalresultscoincidewiththesimulationresults.
Keywords:
MicrostripAntennas;Circular-Polarization;Fractal;Dual-Frequency
1引言
微带天线具有体积小、重量轻、低剖面、易于集成和制造等优点,在卫星通信、卫星定位系统等多个领域获得了广泛应用。
而圆极化微带天线在当前的应用愈加广泛。
圆极化天线可接收任意线极化的来波,且其辐射波也可由任意线极化天线收到,故电子侦察和干扰中普遍采用圆极化天线[1]。
微带天线实现圆极化的条件是,通过馈电激励起两个极化方向正交的、幅度相等的、相位相差90°的线极化波。
当前微带天线实现圆极化主要有三种方法,分别是单馈点法[2]、多馈点法[3]和多元法[4]。
单馈点法基于空腔模型理论,利用简并模分离元产生两个正交极化的简并模。
多馈点法采用多个馈点馈电,由馈电网络实现圆极化工作条件。
多元法使用多个线极化辐射元,原理与多馈点法相似,只是将每一馈点分别对一个线极化辐射元馈电。
本文结合微带天线及分形技术的优点,研究并设计了二阶形式的Crown方形分形双频圆极化微带天线。
利用C
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