线极化微带天线阵列的设计
摘要
微带、微波起源于上世纪中期，在上世纪末就已经展开了对实用天线的研究并制成了第一批实用天线，现在微带天线方面，无论在理论还是应用，都已经取得了很大进展，并在深度和广度上都获得了进一步发展。微带天线技术越来越成熟，其应用与我们的生活、军事、科技都息息相关。体积小、重量轻、剖面薄是微带天线优于普通天线的特点，并且它适合用于印刷电路技术大批量生产，所以能够制成与导弹、卫星表面相共型的结构。因此微带天线在军事、无线通信、遥感、雷达等领域得到了广泛的应用。但是根据微带天线自身的结构特点，仍存在一些缺点，例如频带窄、效率低、增益低、方向性差。解决这些问题的方法就是：将若干个天线单元有规律的排列起来，通过利用这些天线单元构成天线阵列，从而来提高天线的增益、增强天线的方向性。
本文在学习微带天线理论及微带天线阵列基本理论的基础上，利用高频电磁仿真软件HFSS对阵列天线进行仿真设计。设计了中心频率在5.8GHz的阵列天线，对天线的特性进行了深入细致的研究。分别对单个天线阵元和天线阵列进行了仿真，天线阵列的增益明显大于单个微带天线，且方向性更好。因此采用天线阵列的形式进行仿真并对结果中各相关参数进行对比分析差异，优化调整了相关参数。仿真天线的各项指标均达到要求，进行了对实物的加工，在微波暗室内测试出天线的相关参数并与设计指标、仿真结果进行比较，最终达到了设计要求。
关键词：微带天线天线阵方向性增益 HFSS仿真
ABSTRACT
Microstrip, microwave, originated in the middle of the last century, in the end of la st century has launched the research of practical antenna and made the first batch of pra ctical antenna, the microstrip antenna has made breakthrough progress now, no matter in theory or application on the depth and width of further development, this new antenna has been increasingly mature, its application to our daily life, military, science and techn ology are closely related. Compared with the common antenna microstrip antenna with small volume, light weight, the characteristics of thin section, it can be made with missil e and satellite surface phase structure, and suitable for mass production printed circuit te chnology. Therefore, microstrip antenna has been widely used in wireless communicatio n, remote sensing and radar. However, according to the structure of microstrip antenna, t here are still some shortcomings, such as narrow band, low efficiency, low gain and poo r directivity. The way to solve these problems is to arrange a number of antenna element s in a regular arrangement, and make up the antenna array to improve the gain and direc tion of the antenna.
Based on the theory of microstrip antenna and basic theory of microstrip antenna ar ray, HFSS is used to analyze the array antenna. The array antenna with the center freque ncy of 5.8GHZ is designed, and the characteristics of the antenna are studied in detail. T he gain of antenna array is obviously larger than that of single microstrip antenna, and t he direction is better. Therefore, the antenna array was used for simulation and the corr elation parameters in the results were compared and analyzed, and the correlation param eters were optimized and adjusted. Simulation of the antenna of the indicators are up to par, the physical processing, and testing in microwave dark room to the related paramete rs of the antenna, and comparing with design index, the simulation results, finally reach ed the design requirements.
Keywords: miccrostrip antennas antenna array directivity gain HFSS simulation
目录
第一章绪论 (1)
1.1 微带天线的发展、研究背景及意义 (1)
1.2国内外研究现状 (1)
1.3论文主要内容及工作 (2)
第二章微带天线及其阵列基本原理 (4)
2.1微带天线的结构 (4)
2.2微带天线的基本原理 (4)
2.3 微带天线的馈电 (6)
2.4天线的特性参量 (8)
2.5 功率分配器 (15)
2.6 微带天线阵列 (17)
2.6.1微带天线阵列的分类 (17)
2.6.2微带天线阵列的分析方法 (19)
第三章线极化微带天线阵列设计及仿真 (21)
3.1 HFSS简介及仿真设计步骤 (21)
3.2天线阵列单元仿真 (22)
3.3功分器仿真 (25)
3.4馈电网络仿真 (26)
3.5阵列天线仿真 (28)
第四章天线实物性能测试原理及结果 (33)
4.1测试原理 (33)
4.2测试结果 (34)
第五章结论 (37)
结束语 (38)
致谢 (39)
参考文献 (40)
1 线极化微带天线阵列的设计
第一章绪论
1.1 微带天线的发展、研究背景及意义
早在上世纪中期，就有学者提出利用微带线的辐射来制成微带天线的概念。直到上世纪70年代，第一批实用微带天线才被研究者们制造出来，随后微带天线的应用在全球被广泛研究。直到上世纪末，在天线与传播会刊上刊登了微带天线专辑，微带天线才形成天线领域的一个分支。如今微带天线的研究理论已趋于成熟，在多个领域内大显身手。
与普通微波天线相比，微带天线有如下优、缺点[1]：
优点：
（1）剖面薄、体积小、重量轻；
（2）具有平面结构，可制成与导弹、卫星等载体表面相共形的结构；
（3）馈电网络可与天线结构一起制成，适用于印刷电路技术大批量生产；
（4）能与有源器件和电路集成；
（5）便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能。
缺点：
（1）频带窄；
（2）有导体和介质损耗，导致辐射效率降低；
（3）功率容量小；
1.2国内外研究现状
国内外研究热点主要在以下几个方面：宽带拓展、增益提高、小型化设计。
而且研究方法及内容已趋于成熟，可以通过改变介质板物理性质、贴片形状以及和其他元件集成来达到以上目的，所以微带天线阵列被越来越多的领域使用，
第一章绪论2
国内外的学者们也对微带天线展开了更深入的研究。
全球四大卫星导航系统：中国的北斗、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO，这些卫星也离不开微带天线的应用。正是因为微带天线具有较大的增益和较强的抗干扰能力，在各种车载、弹载、舰载、机载、星载上同样得到了广泛的应用，在各国军方先进的相控阵雷达中也越来越多的被应用。在我们的日常通讯中，保证手机通讯信号的通信基站要求信号能够覆盖的范围大、增益高；在郊区、公路或偏远地区的天线基站，微带天线的使用都随处可见。
如今，微带天线发展的趋势是小型化，这就对微带天线的要求更高了。难点就是微带天线阵列越小，各个天线单元之间的间隔、距离就越小，导致了天线单元之间耦合增大，从而影响到了微带天线的性能。国内外学者研究的重点是：如何减小天线单元之间的耦合、减小天线单元与馈线之间的耦合。
在国内，微带天线阵列的研究相对较缓慢，但是依然在相关微带天线阵列技术进行了充分的研究，做出了很多改进，也取得了一定的突破。很多具有自主知识产权的天线也都被各个单位开发出来。
随着科技的发展，各个领域都离不开微带天线阵列的应用，其研究方法的拓展也在不断地深入，未来必将会得到更加广泛的应用。
1.3论文主要内容及工作
本文以线极化微带天线阵列的设计为背景，以天线指标为要求，对天线进行了仿真和实物的加工测试，并给出了阵列天线相关的仿真结果和实测数据分析。在内容安排上：
第一章作为绪论介绍了微带天线的发展、研究意义、性能优缺点和国内外的研究现状。最后提到了此次设计所做的主要内容和工作。
第二章主要介绍了包括微带天线的结构、原理、馈电方式、特性参数、功
3 线极化微带天线阵列的设计
率分配器的分类和原理以及两种分析阵列天线的方法：传输线法和数值分析法。
第三章主要介绍了此次微带天线阵列的阵元设计，包括材料的选取，贴片长度等各个参数的计算；然后介绍了仿真所用的软件HFSS并对天线的各参数进行了设计，再对优化的结果进行仿真，最后得出满足设计要求的结果。
第四章主要对天线阵列进行实物的参数测量，将测量数据与仿真结果进行比对，分析误差原因。
第五章主要分析经过此次设计的结果，将指标要求、仿真结果、实测结果的各项参数进行对比。
第二章微带天线及其阵列基本原理4
第二章微带天线及其阵列基本原理
2.1微带天线的结构
介质基片上贴加导体薄片，且介质基片上有导体接地板，这样的天线就称作微带天线。馈电方式通常利用微带线或同轴线等馈电线馈电。射频电磁场在导体贴片与接地板之间形成，并通过接地板与贴片四周的缝隙向外辐射。一般将微带天线视为一种缝隙天线组成的阵列。通常，介质基片的厚度远远小于工作波长，即。微带天线的剖面很低，是一类低剖面天线。
图2.1是微带天线的四种形式：
本文所用的就是图（a）微带贴片天线来构成的阵列。
图2.1微带天线的四种形式
2.2微带天线的基本原理
图2.1 微带贴片天线结构
5 线极化微带天线阵列的设计
图2.1是一个简单的微带贴片天线结构，由辐射元、介质层和参考地三部分组成，与天线性能相关的参数包括辐射元长度L 、辐射元宽度W 、介质层的厚度H （H 工作波长 ）、介质的相对介电常数 和损耗正切tan 、介质层的长度LG 和宽度WG 。
图2.2 矩形微带天线俯视图和侧视图
图2.2所示的微带贴片天线是采用微带线来馈电的，这就是本次设计的矩形微带贴片天线的馈电形式。对于矩形贴片微带天线，理论分析时通常以传输线模型来分析此天线的性能。矩形贴片微带天线的工作主模式是 模，贴片长度L 为半波长 ，介质层厚度为H ，贴片和基片之间就可以被视为半波长低阻抗传输线,微带天线的辐射是由贴片边缘与参考地之间的缝隙所引起的，通常将天线视为缝隙天线，并将辐射电场进行分解，分别为平行于参考地平面和垂直于参考地平面的分量，又因为贴片长L=
，垂直分量相反，相互抵消；平行分量同相，合分量叠
第二章微带天线及其阵列基本原理6
加并增强，即辐射场最强的方向垂直于参考地平面。
2.3 微带天线的馈电
微带线馈电所采用的是利用微带线与辐射贴片相连作为传输线进行馈电的。由于天线的馈线与贴片在相同的平面，制造时可以将馈线和贴片一起光刻，适合用于大量生产。微带线馈电也是有缺点的，馈线自身也会产生辐射，甚至会干扰到天线的方向图，产生旁瓣电平，而且一定程度上使天线的增益降低。设计时要求微带线线宽尽量窄且远小于工作波长。
微带天线馈电方式多种多样，其中微带线馈电、同轴线馈电和串、并联馈电是最常用的三种馈电方式。
1．微带线馈电（侧馈）：
利用微带线进行馈电时，馈线与微带贴片是在同一平面的，所以便于制作。但是馈线本身也存在辐射，会干扰天线的方向图、降低天线的增益，所以要求馈线不能过宽，且微带线线宽要远小于波长。微带线馈电也需要考虑到天线输入阻抗与特性阻抗的匹配。
常见的微带线馈电方法有三种：
（1）可以通过选择适当的馈电点的位置来实现；
（2）通过改变微带贴片的宽度实现；
（3）通过设计阻抗匹配器来实现。
2．同轴线馈电（背馈）：
同轴线馈电方式是将同轴插座安装在介质基片的接地板上，同轴线的内导体穿过介质基片连接到辐射贴片上。同轴线的馈电需要考虑到阻抗匹配。馈电位置与天线的输入阻抗是相关的，选择合适的馈电位置很重要，就是为了达到阻抗匹配的效果最佳。相较与微带线馈电，同轴线馈电由于馈电点位置可以是贴片上的
7 线极化微带天线阵列的设计
任何位置，而且由于没有微带线从而避免了对天线辐射特性的影响。为达到最佳的匹配效果通常会采用两种或者三种方式来进行阻抗匹配。研究发现若馈电点位置发生变化，那么贴片的输入阻抗随之一起发生变化。但是馈线与微带贴片之间具有耦合效应，我们可以通过对贴片尺寸稍加改变，再借助计算机软件找到最合适的尺寸使得天线谐振频率回到中心频率上。
3．串、并联馈电[3]：
串、并联馈电是指馈电结构的几何形状，而不是所等效的电路图。
串联馈电：
如图2.3所示为串联馈电结构，将各天线单元之间直接用微带线连接。
图2.3 串联馈电
它具有以下优点：
（1）传输效率高；
（2）在馈线上的损耗小、馈线产生的辐射小；
（3）结构简单，空间利用率高，结构紧凑。
但是，在各个天线单元之间容易相互影响，最大的不足是由于串联结构中贴片的插入相位偏移造成了波束产生的固定偏移，在实际设计中可以通过调整阵列参数使产生的偏移变小，保持在低水平上。
并联馈电：
第二章微带天线及其阵列基本原理8如图2.4所示为两种并联馈电结构。
图2.4 并联馈电
图（a）为非对称馈电方式，图（b）为对称馈电方式，并联馈电只有一个输入端，并且由多个输出端和馈线并联组成，每一个输出端接有单独的天线单元。
它具有以下优点：
（1）阵元与阵元之间互不干扰，相互独立；
（2）输入端口到各个阵元之间的馈线长度相等，能够保证激励相同；
（3）在与其他微波器件集成时方便。
因此本文采用的是并联馈电结构对微带天线阵列进行馈电。
2.4天线的特性参量
天线辐射特性主要取决于以下几个方面：阵元数目、激励相位、激励幅度和阵元的空间位置及分布情况。通过阵元的参数来求天线阵的辐射特性，此过程称作阵列的分析；相反，利用天线阵的辐射特性来构成这种天线阵的分布参数，此过程称作天线的综合。
无论天线的任何形式，都具有描述其电性能的基本参量。天线的特性参量包括：天线的方向特性、天线的极化特性、天线的阻抗特性、天线的频率特性、天线的有效接收面积等。
9 线极化微带天线阵列的设计
1．天线的方向特性
（1）方向函数
天线的远区电场E()定义为天线的方向函数，其定义式为：
E()=（2-1）式中的取值范围为 —，的取值范围为0—2。
（2）方向图
天线的方向图是衡量天线性能的一个重要指标，又称辐射方向图，是指距离天线一定距离的辐射场相对场强随方向的变化而变化的图形，通常采用天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。辐射方向图主要包括主瓣宽度、旁瓣电平和前后比等。从天线的方向图可以直接看出天线在某一特定方向上的增益或辐射强度。
（3）方向图的参数
方向图中的重要参数有最大辐射方向、半功率波束宽度、旁瓣电平等。最大辐射方向是指天线辐射的最大方向，也称为主瓣，其他辐射方向称为副瓣、旁瓣、后辦；半功率点所围成的空间角度称为半功率波束宽度；半功率点是辐射方向图上辐射功率为最大辐射功率一半的点。如果波瓣的宽度越窄，天线的定向性就越好。
（4）方向系数D、增益G和天线效率
方向系数D：
定义：天线辐射远场区球面上的最大辐射功率与辐射功率平均值之比。
第二章微带天线及其阵列基本原理10 D（2-2）
=
式中是归一化功率。
方向系数是描述天线聚焦能力强弱的重要参数，方向系数越大，天线辐射功
率就越集中，方向性就越强。全向天线的方向系数D=1，其他任意天线方向系数
D1。
增益G：
天线的增益系数是指在相同的输入功率下，在某一距离和角度天线在最大辐
射方向上某处辐射功率密度与无方向性天线在同一处辐射功率密度之比，也可以
用效率和方向系数D的乘积来表示,即：
G=或G= D （2-3）计算天线增益的若干公式[4]：
对于一般天线，主瓣宽度越窄，增益越高，可用下式估算其增益：
=（2-4）
式中，与分别是天线在两个主平面上的波瓣宽度，32000是统计出来的经验数据。天线主瓣宽度越窄，增益越高。
对于抛物面天线，可用下式近似计算:
=(2-5)式中，D为抛物面直径，为中心工作波长，4.5是统计出来的经验数据。
对于直立全向天线，可用下式近似计算：
11 线极化微带天线阵列的设计
=(2-6)式中，L为天线长度，为中心工作波长。
天线增益是一个衡量天线性能的重要参数，它表明了天线在最大辐射方向上比理想的无方向性天线把输入功率增大的倍数，天线的增益系数可以很好地表征天线对功率集中辐射的能力，它与天线的方向图有着密切的关系，我们需要尽量得到增益高的天线，增益G越大，方向图主瓣越窄，副瓣越小，天线在特定方向上的辐射效果就越好。
天线效率：
定义：辐射功率与输入功率之比，即：
（2-7）式中为辐射功率，为输入功率，输入功率总是大于辐射功率。
方向系数D、增益G和天线效率的关系为：
（2-8）=1时，即辐射效率为的天线。
2．天线的极化特性[5]
波的极化是指：在规定均匀平面波传播方向前提下，某一波振面上电场强度矢量的振动状态随时间变化的方式。
极化的几种方式：
第二章微带天线及其阵列基本原理12
图2.5 天线的极化特性
线极化：电场强度的矢端随时间t描出的轨迹是一条直线，又称为线极化波。如图2.5（a）、（b）所示，以地面为参考系，图（a）称为水平线极化，图（b）称为垂直线极化。
椭圆极化：电场强度的矢端随时间t描出的轨迹是椭圆，又称为椭圆极化波。如图2.5（c）、（d）所示。
圆极化：电场强度的矢端随时间t描出的轨迹是圆，又称为圆极化波，如图2.5（e）、（f）所示，圆极化是椭圆极化的特例。
若轨迹的旋转方向与波的传播方向符合右手螺旋法则，则称为右旋圆极化波，如图2.5（d）、（f）所示；反之则称为左旋圆极化波，如图2.5（c）、（e）所示。由于电磁波存在极化，且极化方式不同，具有极化特性的天线只能发射和接收与其对应相同极化方式的波，若波的极化方式和天线的极化方向不同，极化损失就会出现；若待接收波的方向与天线的极化方向完全正交时，天线就接收不到波的能量。
3．天线的阻抗特性
13 线极化微带天线阵列的设计
（1）辐射功率、辐射电阻和输入电阻：
辐射功率：天线向外辐射的功率，也可以等效为一天线的辐射电阻，是由天线的辐射特性决定的。
输入电阻：若将天线视为传输线的终端负载，该负载则称为天线的输入电阻。
若天线无耗则=，即辐射电阻等于输入电阻。若要求天线获得大的辐射效率就需要输入电阻与天线馈线的特性阻抗相匹配，但是实际中天线本身就存在损耗，输入电阻总是大于辐射电阻，即，所以输入功率总是大于辐射功率，。
（2）电压驻波比、反射系数、回波损耗和S11参数
传输线与天线不匹配的时候，就会同时产生入射波和反射波，在它们相位相同处，电压振幅相加达到最大，形成波腹电压，在它们相位相反处，电压振幅相减到达最小，形成波节电压，而其他各点则在波腹电压与波节电压之间。
驻波比：波腹电压与波节电压之比，即：
=（2-9）反射系数：反射波电压与入射波电压之比，即：
=（2-10）驻波比和反射系数之间的关系：
=（2-11）式中为实数，其取值范围为1。驻波比是用来评价传输线和负载不匹配的程度。=1时，负载匹配，反之=时，完全反射；反射系数越小，越接近1，达到匹配的效果越好。
回波损耗（Return Loss）：反射系数绝对值的倒数，单位是dB。回波损耗值在
第二章微带天线及其阵列基本原理14
0dB到之间时，越小则匹配越差，越大则匹配越好；若回波损耗值为0时，表示全反射，若回波损耗值为时表示完全匹配。
S11参数：输入反射系数，输入端反射电压与入射电压之比。回波损耗和S11参数都是表示阻抗匹配性能的参数，一般指标要求：S1110dB。
回波损耗（RL）、反射系数（）、电压驻波比（）、S11之间的关系：
RL=20lg(输入功率反射功率)=-20lg()、S11=20lg()、RL=S11。
（3）有效长度
定义：天线的感应电压与平行于天线方向的电场E的比值，即：
=（2-12）若天线长度为，且上电流均匀分布时，有效长度实际长度。是衡量天线辐射能力的重要指标。
（4）天线的有效接收面积（或天线的口径）
定义：天线接收电磁波的能力。
若天线接收电磁波方向与天线的最大接收方向一致时，有效面积定义为：
天线接收功率P与平面波功率S的比，定义式为：
=（2-13）有效接收面积的单位为。
4．天线的频率特性
任何天线的工作都是在一定频率范围内进行的，天线的辐射特性、阻抗特性
都与工作频率相关，若频率发生变化，那么天线的相关特性也会发生改变。天线
的工作频率带宽是要求天线能够在工作特性指标允许的条件下满足天线性能的频
15 线极化微带天线阵列的设计
率带宽。
设为天线的最高工作带宽，为最低工作带宽。对于窄带，采用以中心的工作频率，表示相对带宽，来表示频带宽度；对于宽带，采用绝对带宽：来表示频带宽度。驻波比也可以用来描述工作频带宽度。一般情况下，若频率范围在天线的工作频带宽度内，那么驻波比 1.5。
2．5 功率分配器
功率分配器：将一路输入信号能量分成几路或多路输出信号能量的器件，这也就是功率分配器的作用。常用的功分器有T形功分器和wilkinson功分器。功率分配器输入能量的功率需要按照一定的比例进行分配，而且要将各输出端口之间进行隔离、输入输出端口要进行匹配。功率分配器可以分为等分型和比例型两种类型。
图2.6是功率分配器的示意图：
图2.6功率分配器示意图
此功率分配器是三个端口的电路结构，其输出端口之间的相移为0，而且这种端口是可逆的，它既可以以功率分配的形式工作，又能以功率合成的形式应用。信号输入端的输入功率为P1，另外两个输出端输出功率为P2、P3，若为理想情况：①输入端口P1无反射；②输出端口P2、P3电压相等且同相；③P2与P3的功率比值为任意值，根据能量守恒则有P1=P2+P3。
第二章微带天线及其阵列基本原理16
图2.7功率分配器结构图
根据图2.7功率分配器的结构图和在理想情况下的条件可得：
（2-14）
由传输线理论有：
（2-15）设，则、、经计算得：
（2-16）
当=1时，即为等功率分配器，各参数值为：、。
通常会在Port2和Port3之间增加一个电阻r2，起隔离作用，用来提高
隔离度。隔离电阻r：
r或r（2-17）当功分器在非理想情况下工作时，中心频率就有可能会发生偏移，驻波比和隔离
度都会变差，频带也会变窄。
射频圆极化微带天线设计
射频圆极化微带天线设计 摘要 天线作为无线通信最为重要的部分长久以来都受到科研人员的重视以及迅速改造发展。如今，微带天线因其自身的质量小，形状易改变而与设备共形等优势在通信领域应用极为广泛。天线的种类多样，极化方式大致分为线极化与圆极化两种，在天线出现的初期，由于技术层面的限制，线极化天线的应用极为广泛。但由于科技的发展和人们对信号的愈来愈严苛的要求导致线极化天线与应用层面的矛盾越发凸显。由于圆极化天线的方向性，旋向相同接收性和抗干扰性较强，因此现代圆极化天线的应用成为当今天线的主流。本文介绍圆极化天线的性质和缺点以及对未来的展望和改进。 关键词：圆极化天线，抗干扰，性质 Designing of Rf circular polarization microstrip antenna ABSTRACT As the most important part of the wireless communication antennas has long been brought to the attention of the researchers and rapid development. Today, the quality of the microstrip antenna with its small, easy to change shape and advantages, such as equipment conformal is widely applied in the field of communications.
第26卷第5期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 Vol.26,No.5 2010年9月 Journal of Qiqihar University Sep.,2010 基于HFSS 的4×24微带阵列天线的研究与设计 惠鹏飞，夏颖，周喜权，陶佰睿，苗凤娟 （齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006） 摘要：微带阵列天线的馈电方式有微带线馈电和同轴馈电两种方式，本文利用HFSS软件对微带阵列天线进行了研 究，分析了两种馈电方式的传输损耗及其对天线方向图的影响，利用模块化的设计方法实现了一种基于同轴线馈 电结构的多元矩形微带阵列天线。在HFSS仿真设计环境里对天线进行了物理建模，该微带阵列天线的方向图特性 良好，工程上实现比较方便。 关键词：微带阵列天线；模块化设计；HFSS 仿真；物理建模；方向图 中图分类号：TN820.1 文献标识码：A 文章编号：1007-984X(2010)05-0009-04 随着无线电技术的发展，微带天线在许多领域得到了越来越广泛的应用，主要应用场合包括：卫星通信、多普勒雷达及其它制式雷达、导弹遥测系统、复杂天线中的馈电单元等[1] 。微带天线通常采用天线阵列的形式，由馈电网络控制对天线子阵的激励幅度和相位，以获得高增益、强方向性等特点。 微带阵列天线的馈电方式主要有微带线馈电和同轴线馈电方式两种。利用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因此可以方便地光刻，但缺点是损耗较大，在高效率的天馈系统里的应用受到较大限制[2]。本文首先对微带馈电网络产生的损耗进行了详细分析，利用HFSS 软件设计了2×4结构的微带子阵，采用同轴馈电的方式，利用模块化设计方法和方向图叠加原理最终实现了4×24矩形微带阵列天线，仿真设计结果表明，该大型矩形微带阵列天线的各项指标参数良好，设计思想得到了很好的验证。 1 微带阵列及馈电网络损耗分析 1.1 微带阵列理论 微带天线单元的增益较小，一般单个贴片单元的辐射增益只有6～8 dB，为了实现远距离传输和获得更大的增益，尤其是对天线的方向性要求比较苛刻的场合，常采用由微带辐射单元组成的微带阵列天线，如果对增益要求较高，可采用大型微带阵列天线结构[3]。 首先分析平面微带阵列天线的激励电流与电场分布情况，无论是线天线还是面天线，其辐射源都是高频电流源，天线系统将高频电流源的能量转换成电磁波的形式发射出去，讨论电流源的辐射场是分析天线的基础。假设由若干相同的微带天线元组成的平面阵结构，建立三维坐标系分析阵列天线的场量分布情况。以阵列的中心为坐标原点，天线在x 轴方向和y 轴方向的单元编号分别用m 和n 表示。以原点天线单元为相位参考点，为了简化分析，假设阵列中各单元间互耦影响可以忽略不计，各单元激励电流为 j()e xs ys m n mn I ψψ?+，天线阵在远区的辐射总场(,)E θ?为 ()(,)(,)E f S θ?θ?θ??,= 式中，(,)f θ?为阵元的方向性函数，(,)S θ?为平面阵的阵方向性函数。平面阵因子是两个线阵因子的乘积，可以利用线阵方向性分析的结论来分析平面阵列的方向性。 1.2 馈电网络及损耗分析 天线只有承载高频电流才能有电磁波辐射，馈线指将高频交流电能从电路的某一段传送到另一段所用 的设备，对天线的馈电包括对单元天线的馈电和阵列天线的馈电两种形式。当利用传输线对阵列结构进行 收稿日期：2010-06-06 基金项目：齐齐哈尔市科技局工业攻关项目（GYGG-09011-2） 作者简介：惠鹏飞（1980-）,男，辽宁凌源人，讲师，硕士，主要从事雷达极化信息处理的研究，weibo505@https://www.doczj.com/doc/2619231920.html,。
5G 微带阵列天线 要求：利用介质常数为2.2，厚度为1mm ，损耗角为0.0009的介质，设计一个工作在5G 的4X4的天线阵列。 评分标准： 良：带宽〈7% 优：带宽〉7%且效率大于60% 1微带辐射贴片尺寸估算 设计微带天线的第一步是选择合适的介质基板，假设介质的介电常数为r ε，对于工作频率f 的矩形微带天线，可以用下式设计出高效率辐射贴片的宽度W ，即为： 1 21()2 r c w f ε-+= 式中，c 是光速，辐射贴片的长度一般取为/2e λ；这里e λ是介质的导波波长，即为： e λ= 考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度L 应为： 2L L = -? 式中，e ε是有效介电常数，L ?是等效辐射缝隙长度。它们可以分别用下式计算，即为： 1 211 (112)22r r e h w εεε-+-= ++
(0.3)(/0.264) 0.412 (0.258)(/0.8) e e w h L h w h ε ε ++ ?= -+ 2.单元的仿真 由所给要求以及上述公式计算得辐射贴片的长度L=19.15mm,W=23.72mm。采用非辐射边馈电方式，模型如图1所示： 图1 单元模型 此种馈电方式，可以通过移动馈电的位置获得阻抗匹配，设馈电点距离上宽边的偏移量为dx,经仿真得到当dx=4mm时，阻抗匹配最好。另外，之前计算出的尺寸得到的谐振点略有偏移，经过仿真优化后贴片尺寸变为L=19mm,W=23.72mm。仿真结果图如图2，图3所示。
图2 S11参数 图3 增益图 从图中可以看出谐振点为5GHz，计算的相对带宽为2.2%，增益为5.78dB。 2. 2×2阵列设计
ＧＰＳ圆极化微带天线设计 1.1微带天线简介 微带天线是在一块厚度远小于工作波长的介质基片的一面敷以金属辐射片，一面全部敷以金属薄膜层做接地板而成。GPS天线通常使用平面天线和螺旋形天线。近年来微带天线由于具有重量轻，体积小，易于实现圆极化。而GPS功能在个人行动通讯设备特别是手机中的普及，更使得GPS天线的小型化研究成为十分热门的话题。 1.2GPS微带天线结构与原理 上图是一个简单的微带天线结构，由辐射元，介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数为辐射元的长度L,辐射元的宽度W，介质层的厚度h,介质的相对介质电常数εr ，介质的长度和宽度。 1.3辐射机理 理论上可以采用传输线模型来分析其性能，假设辐射贴片的长度近似的为半波长，宽度为w,介质基片厚度为h,工作波长为λ；我们可以将辐射贴片，介质基片和接地板视为一段长度为λ/2的低阻抗微带传输线，在传输线的两端断开形成开路。由于介质基片厚度h<<λ，故电路沿着h方向基本没有变化。最简单的情况可以假设电场沿着宽度w方向也没有变化。那么在只考虑主模激励（TM10模）的情况下辐射基本上可以认为是由辐射贴片开路的边缘引起的。在两开路的电场可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，由于辐射贴片长度约为半个波长，所以两垂直分量方向相反，水平分量方向相同。因此，两开路端的水平分量电场可以等效为无限大平面上同相激励的那个缝隙，缝隙的宽度为ΔL（近似等于基片厚度h），长度为w，等效缝隙相距为半波长，缝隙的电场沿着w方向均匀分布，电场方向垂直于w。 1.4微带天线贴片尺寸估算
设计高效率辐射的宽度w,2 1212-??? ??+=r f c w ε 式中C 为光速。 辐射贴片的长度一般为2e λ，这里的e λ是介质内的导波波长，即 e λ=e f c ε 考虑到边缘缩短效应后，实际的辐射单元长度L 应为 L=e f c ε-2ΔL 式中e ε是有效介电常数，ΔL 是等效辐射缝隙长度， 同轴线馈电点的位置，宽度方向上馈电点的位置一般在中心点，在长度方向上边缘处（x=±L/2）的输入阻抗最高。由以下的公式计算出输入阻抗为50欧姆的馈电点位置： ??? ? ??=re 1-12L 1L ξ 2ＨＦＳＳ设计环境概述 2.1模式驱动求解。 2.2建模操作。 模型原型：长方体，圆柱体，矩形面，圆面。 模型操作：相减操作。 2..3边界条件及激励： 边界条件：有限导体边界，辐射边界. 端口激励：集总端口激励。 2.4求解设置。 求解频率：１.６ＧＨｚ 扫频设置：快速扫描，频率范围：１～２ＧＨｚ 2..5Ｏｐｔｉｍｅｔｒｉｃｓ 参数扫描分析 优化设计 2.6数据后处理：Ｓ参数扫描曲线，３Ｄ辐射方向图。 3.1仿真模型
射频微带阵列天线设计 摘要 微带天线是一种具有体积小、重量轻、剖面低、易于载体共形、易于与微波集成电路一起集成等诸多优点的天线形式，目前已在无线通信、遥感、雷达等诸多领域得到了广泛应用。同时研究也发现由于微带天线其自身结构特点，存在一些缺点，例如频带窄、增益低、方向性差等。通常将若干单个微带天线单元按照一定规律排列起来组成微带阵列天线，来增强天线的方向性，提高天线的增益。 本文在学习微带天线和天线阵的原理和基本理论，加以分析，利用Ansoft 公司的高频电磁场仿真软件HFSS，设计了中心频率在10GHz的4元均匀直线微带阵列，优化和调整了相关参数，然后分别对单个阵元和天线阵进行仿真，对仿真结果进行分析，对比两者在相关参数的差异。最后得到的研究结果表明，微带天线阵列相较于单个微带天线，由于阵元间存在互耦效应以及存在馈电网络的影响，微带阵列天线的回波损耗要大于单个阵元。但是天线阵列增益明显大于单个微带天线，且阵列天线比单个阵元具有更好的方向性。
关键词：微带天线微带阵列天线方向性增益 HFSS仿真 Design of Radio-Frequency Microstrip Array Antenna ABSTRACT Microstrip antenna is a kind of antenna form with many advantages like,small size, light weight, low profile, easy-to-carrier conformal, easy integration with many other of microwave integrated circuits and so on. Now microstrip array wildly applied in the filed of wireless
https://www.doczj.com/doc/2619231920.html, 圆极化全向天线技术 胥亚东，阮成礼 电子科技大学物理电子学院，成都（610054） E-mail： 摘要：圆极化全向天线由于其自身性能特点，在现代的无线应用中，越来越受到广泛的关注。本文主要归纳总结了圆极化全向天线的研究进展，探讨了圆极化全向天线的各种实现方法，及其中的各个关键问题，并讨论了各种方案具体设计方案、影响因素、过程原理，及其优劣性，在此基础上，对圆极化全向天线的研究发展趋势提出了展望。 关键词：圆极化天线，全向天线 中图分类号：TN820.1+1 1．引言 天线的极化作为天线性能的一个重要参数，是指在一个发射天线辐射时，其最大辐射方向上，随着时间变化电场矢量（端点）在空间描出的轨迹。天线的极化形式分为线极化，圆极化和椭圆极化三种。线极化和圆极化是椭圆极化的特例。圆极化又分为正交的左旋和右旋圆极化。椭圆极化波可分解为两个旋向相反的圆极化波[1]。 随着科学技术和社会的不断发展，对天线的性能要求也越来越高，在现代的无线应用系统中，普通的线极化天线已很难满足人们的需求，圆极化天线的应用越来越广泛，其主要特点主要体现在以下几个方面[2-4]：1.圆极化天线可接收任意极化的来波，且其辐射波也可由任意极化天线收到；2.圆极化天线具有旋向正交性；3.极化波入射到对称目标（如平面、球面等）时旋向逆转，不同旋向的电磁波具有较大数值的极化隔离。由于圆极化天线具有以上特点，因此，被广泛使用在通信、雷达、电子侦察与电子干扰等各个方面，研究圆极化天线具有巨大的社会效益、经济效益和军事效益。 任意圆极化波可分解为两个在空间、时间上均正交的等幅线极化波，由此得到实现圆极化天线的基本原理：即产生两个空间正交的线极化电场分量并使二者振幅相等（即简并模），相位差90°[5]。尽管圆极化天线形式各异，但产生机理万变不离其宗。反映在史密斯圆图中，两简并模的恰当分离对应阻抗曲线出现一个尖端（cusp）。圆极化天线的基本电参数是最大增益方向上的轴比，即任意极化波的极化椭圆长轴（2A）与短轴（2B）之比[6]： ?A?AR=20lgr=20lg?? ?B?
天线CAD大作业 学院：电子工程学院 专业：电子信息工程
微带天线设计 一、设计要求： （1）工作频带1.1-1.2GHz ，带内增益≥4.0dBi ，VSWR ≤2:1。微波基板介电常数为r ε = 6，厚度H ≤5mm ，线极化。总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR 、方向图等。 （2）拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果。 二、设计步骤 计算天线几何尺寸 微带天线的基板介电常数为r ε= 6，厚度为 h=5mm,中心频率为 f=1.15GHz,s m /103c 8?=天线使用50Ω同轴线馈电，线极化，则 （1）辐射切片的宽度2 1 )2 1(2-+=r f c w ε=69.72mm （2）有效介电常数2 1)12 1(2 1 2 1 r e - +-+ += w h r εεε=5.33 （3）辐射缝隙的长度) 8.0/)(258.0() 264.0/)(3.0(h 412.0+-++=?h w e h w e L εε=2.20 （4）辐射切片的长度L e f c L ?-=22ε=52.10mm （5）同轴线馈电的位置L1 21 )121(21 2 1)(re -+-+ += L h r r L εεξ=5.20 )1 1(21re L L ξ-= =14.63mm 三、HFSS 设计 （1）微带天线建模概述 为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下：
微带天线的HFSS设计模型如下： 立体图俯视图 模型的中心位于坐标原点，辐射切片的长度方向沿着x轴，宽度方向沿着y 轴。介质基片的大小是辐射切片的2倍，参考地和辐射切片使用理想导体来代替。对于馈电所用的50Ω同轴线，这用圆柱体模型来模拟。使用半径为0.6mm、坐标为（L1，0,0）；圆柱体顶部与辐射切片相接，底部与参考地相接，及其高度使用变量H表示；在与圆柱体相接的参考地面上需要挖一个半径为1.5mm的圆孔，作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50Ω。模型建立好后，设置辐射边界条件。辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4波长，1.15GHz时自由空间中1/4个波长约为65.22mm，用变量length 表示。 （2） HFSS设计环境概述 ＊求解类型：模式驱动求解。 ＊建模操作 ①模型原型：长方体、圆柱体、矩形面、圆面。 ②模型操作：相减操作 ＊边界条件和激励 ①边界条件：理想导体边界、辐射边界。 ②端口激励：集总端口激励。 ＊求解设置：
线极化微带天线阵列的设计 摘要 微带、微波起源于上世纪中期，在上世纪末就已经展开了对实用天线的研究并制成了第一批实用天线，现在微带天线方面，无论在理论还是应用，都已经取得了很大进展，并在深度和广度上都获得了进一步发展。微带天线技术越来越成熟，其应用与我们的生活、军事、科技都息息相关。体积小、重量轻、剖面薄是微带天线优于普通天线的特点，并且它适合用于印刷电路技术大批量生产，所以能够制成与导弹、卫星表面相共型的结构。因此微带天线在军事、无线通信、遥感、雷达等领域得到了广泛的应用。但是根据微带天线自身的结构特点，仍存在一些缺点，例如频带窄、效率低、增益低、方向性差。解决这些问题的方法就是：将若干个天线单元有规律的排列起来，通过利用这些天线单元构成天线阵列，从而来提高天线的增益、增强天线的方向性。 本文在学习微带天线理论及微带天线阵列基本理论的基础上，利用高频电磁仿真软件HFSS对阵列天线进行仿真设计。设计了中心频率在5.8GHz的阵列天线，对天线的特性进行了深入细致的研究。分别对单个天线阵元和天线阵列进行了仿真，天线阵列的增益明显大于单个微带天线，且方向性更好。因此采用天线阵列的形式进行仿真并对结果中各相关参数进行对比分析差异，优化调整了相关参数。仿真天线的各项指标均达到要求，进行了对实物的加工，在微波暗室内测试出天线的相关参数并与设计指标、仿真结果进行比较，最终达到了设计要求。 关键词：微带天线天线阵方向性增益 HFSS仿真
ABSTRACT Microstrip, microwave, originated in the middle of the last century, in the end of la st century has launched the research of practical antenna and made the first batch of pra ctical antenna, the microstrip antenna has made breakthrough progress now, no matter in theory or application on the depth and width of further development, this new antenna has been increasingly mature, its application to our daily life, military, science and techn ology are closely related. Compared with the common antenna microstrip antenna with small volume, light weight, the characteristics of thin section, it can be made with missil e and satellite surface phase structure, and suitable for mass production printed circuit te chnology. Therefore, microstrip antenna has been widely used in wireless communicatio n, remote sensing and radar. However, according to the structure of microstrip antenna, t here are still some shortcomings, such as narrow band, low efficiency, low gain and poo r directivity. The way to solve these problems is to arrange a number of antenna element s in a regular arrangement, and make up the antenna array to improve the gain and direc tion of the antenna. Based on the theory of microstrip antenna and basic theory of microstrip antenna ar ray, HFSS is used to analyze the array antenna. The array antenna with the center freque ncy of 5.8GHZ is designed, and the characteristics of the antenna are studied in detail. T he gain of antenna array is obviously larger than that of single microstrip antenna, and t he direction is better. Therefore, the antenna array was used for simulation and the corr elation parameters in the results were compared and analyzed, and the correlation param eters were optimized and adjusted. Simulation of the antenna of the indicators are up to par, the physical processing, and testing in microwave dark room to the related paramete rs of the antenna, and comparing with design index, the simulation results, finally reach ed the design requirements. Keywords: miccrostrip antennas antenna array directivity gain HFSS simulation
宽带圆极化微带天线设计 关键词：微带天线，X波段，设计，分析，HFSS，仿真
目录 1 绪论 (1) 1.1 本课题研究背景 (1) 1.2 微带天线的发展 (1) 1.3 微带天线的优缺点 (2) 1.4 本课题研究内容 (3) 2 微带天线基本概念及原理 (5) 2.1 天线的基本概念 (5) 2.2 天线的辐射原理 (6) 2.3 天线的基本参数 (6) 2.3.1 天线的极化 (7) 2.3.2 天线方向图的概念 (7) 2.3.3 天线输入阻抗的计算方式 (8) 2.3.4 天线的谐振频率与工作频带宽带 (8) 2.3.5 天线的驻波比 (9) 2.4 微带天线的简介 (10) 2.4.1 微带天线的结构与分类 (10) 2.4.2 微带天线的辐射机理 (10) 2.4.3 微带天线的形状 (11) 2.5 微带天线的分析方法 (11) 2.5.1 传输线模型法 (11) 2.5.2 空腔模型法 (13) 2.5.3 积分方程法 (13) 2.6 微带天线的馈电方法 (14) 2.7 微带天线圆极化技术 (15) 2.7.1 圆极化天线的原理 (15) 2.7.2 圆极化实现技术 (16) 3 宽带异形贴片微带天线设计 (21) 3.1 微带天线的仿真 (21) 3.2 Ansoft HFSS高频仿真软件的介绍 (21) 3.3 HFSS对具体实例的仿真 (21)
3.3.1 选取微带天线模型 (21) 3.3.2 微带天线的仿真优化 (23) 4 双点馈电圆形圆极化微带天线设计 (35) 4.1 HFSS对圆极化微带天线的仿真 (35) 4.1.1 选取圆极化微带天线模型 (35) 4.1.2 圆形圆极化微带天线的仿真优化 (35) 5 总结结论及展望 (41) 参考文献 (42)
编号：毕业设计(论文)说明书 题目：圆极化微带4单元阵列天线 学院： 专业： 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 题目类型：理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发 2012 年 6 月 5 日 摘要
圆极化天线具有一些显著的优点: 任意线极化的来波都可以由圆极化天线收到, 圆极化天线辐射的圆极化波也可以由任意极化的天线收到; 圆极化天线具有旋向正交性, 圆极化波入射到对称目标反射波变为反旋向等。正是由于这些特点使圆极化天线具有较强的抗干扰能力, 已经被广泛地应用于电子侦察和干扰,通信和雷达的极化分集工作和电子对抗等领域。
目录 第一章微带天线简介 ............................. 错误!未定义书签。
§1.1微带天线的发展............................. 错误!未定义书签。 §1.2微带天线的定义和结构....................... 错误!未定义书签。 §1.3微带天线的优缺点........................... 错误!未定义书签。 §1.4微带天线的应用 (6) 第二章微带天线的辐射原理与分析方法.............. 错误!未定义书签。 §2.1微带天线的辐射原理......................... 错误!未定义书签。 §2.2微带天线的分析方法......................... 错误!未定义书签。 §2.2.1 传输线模型法 (8) §2.2.2 空腔模型法........................... 错误!未定义书签。 §2.2.3 积分方程法........................... 错误!未定义书签。 §2.3微带天线的馈电方法......................... 错误!未定义书签。 第三章圆极化微带天线单元的设计与仿真............ 错误!未定义书签。 §3.1A NSOFT HFSS高频仿真软件的介绍............... 错误!未定义书签。 §3.2微带天线圆极化技术 (14) §3.2.1 圆极化天线的原理..................... 错误!未定义书签。 §3.2.2 圆极化实现技术 (15) 第四章圆极化微带4单元阵列天线的设计与仿真...... 错误!未定义书签。 §4.1圆极化微带天线单元的设计与仿真............. 错误!未定义书签。 §4.1.1圆极化微带天线单元的设计仿真......... 错误!未定义书签。 §4.1.2天线单元轴比的优化................... 错误!未定义书签。 §4.2馈电网络的仿真与设计....................... 错误!未定义书签。 §4.2.1两路微带等功率分配器的设计与仿真..........错误!未定义书签。 §4.2.2连续旋转馈电网络............................错误!未定义书签。 §4.3圆极化阵列天线模型的设计与仿真 ............. 错误!未定义书签。 §4.3.1阵列天线的创建与仿真................错误!未定义书签。 §4.3.2阵列天线的优化设计................错误!未定义书签。 第五章结论 致谢........................................... 错误!未定义书签。 参考文献错误!未定义书签。
2004年4月重庆大学学报 Apr.2004 第27卷第4期Journal of Chongqing University Vol.27 No.4 文章编号:1000-582X (2004)04-0057-04 圆极化微带天线的设计与实现 Ξ 韩庆文,易念学,李忠诚,雷剑梅 (重庆大学通信学院,重庆 400030) 摘 要:圆极化微带天线是一种低剖面的天线元,研究圆极化微带天线的特性在天线设计中显得十 分重要,而微带贴片天线的馈电位置的确定是设计的关键。针对单端侧馈五边形圆极化微带天线进行了详细分析和论述;简要介绍了微带天线的实现方法,并介绍了一种用于分析多边形微带天线的有效方法———有限元分析法;通过对一个5.6GHz 的五边形圆极化微带天线的研究设计,给出了圆极化微带天线的设计过程,找到了确定馈电点位置的合理方法,采用HFSS 软件进行优化设计,进行仿真,给出了合理的仿真结果。 关键词:微带天线;圆极化;轴比;五边形;方向图;电压驻波比;带宽 中图分类号:TN820.11 文献标识码:A 目前简单的线极化天线已很难满足人们的需求,这就使得圆极化微带天线倍受青睐。 但在微带天线的分析中,近似处理较多,使得天线的设计准确性并不太好,微带贴片天线的馈电位置的确定往往需要实验调整的方法进行研究。另外由于微带天线的频带窄,设计尺寸的微小误差都会造成天线谐振频率的偏离,极化特性也会变差。在实际工作中由于介质基片的离散性,也影响了谐振频率的准确性[1]。针对上述问题,特别对圆极化微带天线的设计过程进行了深入的分析;通过应用HFSS 高频结构软件仿真,使天线的性能得到了优化。 1 微带天线 微带天线是一种基于微带传输线的天线。它有多种形式,按结构特征,可把微带天线分为两大类,即微带贴片天线和微带缝隙天线;常用的一类,是贴片微带天线。贴片可以是矩形、圆形、椭圆形及其它形状,在此选用五边形贴片。 微带天线的辐射,是由微带天线边沿和接地板之间的边缘场产生的。以矩形贴片为例,其辐射场的示意图如图1所示。 图1 矩形微带天线的场图 微带天线分析的基本问题是,求解天线周围空间 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,另外,微带天线的馈电,对天线的性能有至关重要的作用。馈线的长度和宽度直接影响着天线的谐振频率;馈电点的位置决定着天线边沿上的电流幅度、相位分布以及谐振频率。因此,对馈电方式的选择是设计成功与否的关键因素[2]。在本设计中采用微带线馈电。 2 圆极化微带天线的实现 微带天线要获得圆极化波的关键是,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[3]。当前用微带天线实现圆极化辐射主要有以下几种方法: Ξ 收稿日期:2003-11-08 基金项目:重庆市应用基础研究资助项目(2003-7960) 作者简介:韩庆文(1969-),女,重庆人,重庆大学工程师,硕士,主要从事微波通信、天线理论及天线设计的科研教学工作。
A Single-Feeding Circularly Polarized Microstrip Antenna With the Effect of Hybrid Feeding Hyungrak Kim,Byoung Moo Lee,and Young Joong Yoon ,Member,IEEE Abstract—In this paper,a single series feeding cross-aperture coupled microstrip antenna with the effect of hybrid feeding is pro-posed and demonstrated.To better understand this antenna,the characteristics according to the variation of parameters are shown.This proposed antenna has the following advantages of the effect of hybrid feeding,improved axial ratio bandwidth (4.6%),high gain (8dBi),and flat 3-dB gain bandwidth (above 16.7%).In measured radiation patterns,we have 3-dB beamwidth of 30and good F/B of 20dB. Index Terms—Effect of hybrid feeding,microstrip antenna. I.I NTRODUCTION W ITH rapid development of wireless communication system,many kinds of circularly polarized (CP)antennas have been studied since CP antennas are often preferred in satellite communication,Global Positioning System (GPS),and radar system.In general,feeding structure of CP antenna may be divided into single and hybrid feeding.A single-feeding CP antenna provides simple structure,easy manufacture,and advantage in array with small size.However,it has narrow axial ratio bandwidth.Hybrid feeding gives complex structure,difficult manufacture,and increased antenna size,but it provides wide axial ratio bandwidth.Thus,in the design of CP antenna,a tradeoff of characteristics between two feeding methods is required. In CP antenna,axial ratio bandwidth is the most important factor in design since it is the most limiting factor for oper-ating factor.Therefore,many kinds of CP antennas have been studied to obtain wide axial ratio bandwidth [1]–[4].Recently,CP antennas to obtain wide axial ratio bandwidth using single feeding have been studied to improve disadvantages of hybrid feeding,e.g.,large antenna size and complex structure.Cross-aperture coupled microstrip antennas [5],[6]were proposed and analyzed,but it still has narrow axial ratio bandwidth (2.5%),narrow gain bandwidth (3.27%for 3-dB),and low antenna gain (5dBi).Another improvement was suggested by Aloni et al.[7],where traveling wave type CP antenna was introduced.How-ever,it has very low gain and low radiation efficiency,and nar-rower gain bandwidth than reasonably wide axial ratio band-width and impedance bandwidth.Therefore,not only wide axial ratio and impedance bandwidth,but also other enhanced charac-teristics,e.g.,high gain,flat-gain bandwidth,and similar radia-tion patterns in operating frequencies are needed in CP antenna for practical wireless communication system. Manuscript received February 20,2003;revised April 9,2003. The authors are with the Department of Electrical and Electronic Engi-neering,Yonsei University,Seoul,Korea (e-mail:okebari@mwnat.yonsei.ac.kr;binny@mwnat.yonsei.ac.kr;yjyoon@mwnat.yonsei.ac.kr).Digital Object Identifier 10.1109/LAWP.2003.813382 (a) (b) Fig.1. (a)Side view and (b)bottom view of the proposed antenna. In this paper,we propose a resonant type single series feeding CP microstrip antenna.Series feeding is suggested to obtain wide axial ratio bandwidth and flat gain bandwidth.Also,cross-aperture with short length is used to provide high gain. II.A NTENNA D ESIGN The configuration of the proposed antenna is shown in Fig.1.It is composed of the two layers and air-gap.The rectangular patch,whose physical dimensions are 45 mm 45mm at center frequency of 2.4GHz,is on the upper layer,and series feeding line under the lower layer is positioned close behind cross-aper-ture.For the upper and lower layer,Duroid 5880substrate with 0.5-oz copper,62-mil substrate height,and dielectric constant of 2.2and FR-4substrate with 1-oz copper,0.8-mm substrate height,and dielectric constant of 4.6are used,respectively.As shown in Fig.1(b),series feeding line is placed behind cross-aperture,and a quarter-wavelength section of feeding line is positioned between each arm of aperture to create the 90phase difference for circular polarization.Series feeding brings into sequential rotation of current on the surface of radiating 1536-1225/03$17.00?2003IEEE
5G微带阵列天线 要求：利用介质常数为2.2，厚度为1mm损耗角为0.0009的介质，设计一个工作在5G的4X4的天线阵列。 评分标准： 良：带宽〈7% 优：带宽〉7%且效率大于60% 1微带辐射贴片尺寸估算 设计微带天线的第对于工作频率即为：步是选择合适的介质基板，假设介质的介电常数为&r， f的矩形微带天线，可以用下式设计出高效率辐射贴片的宽度W， 式中，C 波长，即为： 是光速，辐射贴片的长度一般取为飞/2 ；这里e是介质内的导波 考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度L应为: L—C-2 丄 2 f ?. ；e 式中， 计算，即为: ；e是有效介电常数，厶L是等效辐射缝隙长度。它们可以分别用下式 1 E r +1 E r —1 h -5 ；e (1 12 ) 2 2 2 w .丄"412h(；e。①⑶川 °264 ) ? —0.258)(w/h+0.8) 2.单元的仿真 由所给要求以及上述公式计算得辐射贴片的长度L=19.15mm,W=23.72mm采 用非辐射边馈电方式，模型如图1所示：
图1单元模型 此种馈电方式，可以通过移动馈电的位置获得阻抗匹配，设馈电点距离上宽边的偏移量为dx,经仿真得到当dx=4mm P寸，阻抗匹配最好。另外，之前计算出的尺寸得到的谐振点略有偏移，经过仿真优化后贴片尺寸变为L=19mm,W=23.72mm仿真结果图如图2,图3所示。 Freq [GHz] 图2 S11参数
图3增益图 从图中可以看出谐振点为5GHz计算的相对带宽为2.2%,增益为5.78dB 2. 2 X 2阵列设计 设计馈电网络并组阵，模型图如图4所示。 图4 2 X2微带天线阵列
毫米波圆极化微带天线的研究 圆极化波的产生： 微带天线中存在何种模式完全取决于贴片的形状和激励模型,当馈电点位于贴片的对角线上时,天线中可以同时维持乃订。和刀怀。模,两种主模同相且极化正交,结果导致辐射波的极化方向与馈电点所在对角线平行,单点馈电的准方形贴片、方形切角贴片和四周切有缝隙的方形贴片天线等均可以辐射圆极化波。用微带天线产生圆极化波的关键是产生两个方向正交的,幅度相等的,相位相差”的线极化波。当前用微带天线实现圆极化辐射主要有几种方法一点馈电的单片圆极化微带天线正交馈电的单片圆极化微带天线由曲线微带构成的宽频带圆极化微带天线微带天线阵构成的圆极化微带天线等等。 圆极化波的性质： 根据天线辐射的电磁波是线极化或圆极化,相应的天线称为线极化天线或圆极化天线。圆极化波具有以下的性质〕 （1）圆极化波是一个等幅的瞬时旋转场。即沿其传播方向看去,波的瞬时电场矢量的端点轨迹时一个圆。若瞬时电场矢量沿产波方向按左手螺旋的方向旋转,称之为左旋圆极化波,记为LCP(Left-Hand Circular Polarization);若沿传播方向按右手螺旋旋转,称之为右旋圆极化波,记RCP(Right-Hand Circular Polarization), （2）一个圆极化波可以分解为两个在空间上和在时间上均正交的等幅线极化波。由此,实现圆极化天线的基本原理就是产生两个空间上正交的线极化电场分量,并使二者振幅相等,相位相差度。 （3）任意极化波可以分解为两个旋向相反的圆极化波。作为特例,一个线极化波可以分解为两个旋向相反、振幅相等的圆极化波。因此,任意极化的来波都可由圆极化天线收到反之,圆极化天线辐射的圆极化波也可以由任意极化的天线收到。这正是在电子侦察和干扰等应用中普通采用圆极化波的原因。 （4）天线若辐射左旋圆极化波,则只接受左旋圆极化波而不接收右旋圆极化波反之,若天线辐射右旋圆极化波,则只接收右旋圆极化波。这称为圆极化天线的旋向正交性。其实,这一性质就是发射和接收天线之间的互易定理。在通信和电子对抗等应用中的广泛利用这个性质。例如国际通信卫星号上的多波束发射天线辐射右旋圆极化波,形成两个东、西“半球波束”同时也辐射左旋圆极化波,形成两个照射不同地区的“区域波束”,这四个波束都工作于频段而互不干扰,从而实现四重频谱服用,增加了通信容量。 （5）圆极化波入射到对称目标如平面、球面等时,反射波变成反旋向的,即左旋波变成右旋,右旋变成左旋。