一种宽频带微带天线的设计Ξ
徐 勤 ΞΞ
(南京船舶雷达研究所,江苏南京210003)
摘 要:介绍了宽频带渐变式微带缝隙天线的工作原理、设计参数及其对电性能的影响,设计了一种结构简单的天线形式,给出了该天线工作于S、C频段的结构尺寸以及VSWR、辐射方向图的仿真和测试数据曲线,两者之间有很好的一致性,并对影响天线性能的关键参数进行了误差计算。结果表明:在加工精度可达到的范围内,对天线性能的影响不大。该天线可应用于宽频带单极化、双极化阵列天线单元或反射面天线馈源。
关键词:雷微带天线;宽频带;馈源;阵列单元
中图分类号:TN822.8 文献标识码:A 文章编号:100920401(2004)022*******
A design of broadband microstrip antenna
X U Qi n
(N anji ng M ari ne Radar Instit ute,CS IC,N anj ng210003,Chi na)
Abstract:The operating principle and designing parameters of the broadband microstrip slot antenna and its influence to the electrical property are proposed in this paper.A simple form of antenna is de2 signed.The scantling of structure,VSWR,the simulation of the radiation pattern and testing data curve of the antenna operating on S and C bands with a consistency between them.An error calcu2 lating to the key parameter influencing the antenna performance is carried through.The results show that the accessible machining precision range will take little influence on the antenna perfor2 mance.The antenna is applicable to the array antenna element with broadband single polarization and dual polarization or antenna feed source with reflecting surface.
K ey w ords:microstrip antenna;broadband;feed source;array element
1 引 言
通常,天线工作的最高频率与最低频率之比大于2,就属于宽频带天线;两者之比大于10,则被认为是超宽频带天线。超宽频带天线的设计是未来天线设计的发展方向之一。本文设计的宽频带渐变式微带缝隙天线,最早的形式是由P.J.G ibson、Prasad和Mahapa2 tra在1979年几乎同时提出的,它由一段一端很窄另一端按指数式、V型张开或常数未张开的槽线构成,一般分别称其为Vivaldi天线、L TSA天线或CWSA天线。通常采用双面敷铜介质基片制造,微带线印刷在介质基片的一面作为馈电,指数式、V型张开或常数开口的槽线印刷在介质基片的反面,其作用相当于微带馈电线与自由空间之间的阻抗变换网络。槽线的窄端区域决定了高频端的辐射,而张开的口径区域则决定了低频端的辐射。虽然它们的结构形式不完全相同,但工作原理及辐射的本质是一样的,如图1所示,为其典型的结构示意图。
该类天线的辐射情况与微带贴片、微带振子等不同,它属于端射式行波天线,依赖的是表面波传输,至端口辐射。由于表面波的相速一般低于光速,故渐变式微带缝隙天线属于一种慢波结构。对于沿传输路径表面波相速不变的行波天线,存在一个最佳的相速比,它能导致天线获得最大的方向性和更高的增益。但该类天线由于缝隙的渐变式张开,其传输相速是变化的,从而方向性降低,副瓣电平也降低。在与介质基片平
Ξ
Ξ
Ξ作者简介:徐勤(1962-),男,江西临川人,南京船舶雷达研究所高级工程师,从事舰戴雷达天线设计。
收稿日期:2004201212
图1 渐变式微带缝隙天线典型结构
行和垂直的两个主平面,具有良好的对称辐射方向图,
辐射场为线极化,使用高介电常数的基片时,尺寸小,重量轻,可获得中等高的增益,最独特的优点就是它的宽频带特性。采用不同的介质材料、介质厚度及改变辐射贴片的形状,可在一定范围内改变辐射方向图的宽窄。行波类渐变式微带缝隙天线既可用于单独天线,也可单独或组阵用于反射面天线的馈源,更多的是作为单极化或双极化阵列天线的单元,而在毫米波和亚毫米波段的应用则更具有吸引力。
2 宽带设计
关于渐变式微带缝隙天线的设计,有不少人已进行了大量的实验研究,也得出了某些经验性的设计规律。理论上的辐射方向图的数值计算,有很多种方法,如共形映射法、口径场法和矩量法等,一般采用两步处理:第一步确定缝隙的切向电场分布,第二步根据等效性原理,由缝隙上的等效磁流分布求外场。但由于这类天线所具有的超宽频带特性及所包含的复杂的三维结构,对其进行严格的辐射方向图的数值分析,令人满意的结果只限于低介电常数的很薄的介质基片,且计算时天线的非辐射区宽度为无穷大。
该类天线的缺点就是尺寸大,其在毫米波和亚毫米波段越来越广泛的应用,也就不足为奇了。为保证
结构尺寸不致过大,在常规波段也必须使用高介电常数。正是由于精确分析和设计技术的缺乏,导致了该天线设计的不成熟。目前的设计基本上都是采用高频仿真进行。
渐变式微带缝隙天线的超宽频带设计,主要解决两个方面的匹配问题:一是微带线与槽线间馈电转换的阻抗匹配,二是指数式或V 型张开的槽线与自由空间转换的阻抗匹配。本质上来讲,后者具有固有的宽频带特性,因此该天线的宽频带特性的主要决定因素,在于微带线与槽线间馈电转换的阻抗匹配带宽。据文
献资料,应用于混频器中的一种独特的“双Y 型”微带
线2槽线变换,由于其不存在寄生感抗和容抗,而存在固有的宽频带特性。将此“双Y 型”微带线2槽线变换与指数式张开的槽线相结合,构成了理论上具有宽频带特性的渐变式微带缝隙天线,关键外形结构如图2所示。
图2 宽频带渐变式微带缝隙天线外形
上述关键外形结构图中,关键设计参数有三类:一
是如图虚线所示的馈电部分;二是指数式或V 型张开的槽线部分,其形状由下式确定:
X =C 1e
RZ
+C 2(1)式中
C 1=(X 2-X 1)/(e R Z 2-e RZ 1
)(2)C 2=(X 1e R Z 2-X 2e RZ 1)/(e RZ 2-e R Z 1)
(3)
图2中的P 1(X ,Z )、P 2(X ,Z )为指数线的起始点和
终点,R 为开口速率,控制槽线的形状变化;三是缝隙线起始点空腔的直径D a 。
对三类关键设计参数给出初始设计值后,使用IE3D 高频仿真软件进行仿真,计算中发现,在5:1的频带范围内,各参数之间的相互影响很大,同时由图中也可看出,形状变化及设计参数的复杂性给优化设计带来麻烦。经过不长时间的设计计算,并未达到令人满意的性能。
3 实际天线的仿真设计计算
由于图2所示天线外形结构的复杂性,我们所设计的天线并未采用,而是提出了一种更简单的形式,具体结构如图3所示。由图3可以看出:该天线的形状变化很规则,设计参数不复杂,优化设计相对方便。使用的介质材料为:εr =4,材料厚度为1mm ,导带厚度为0.018mm 。
图3中外表面为金属导体,虚线为反面的馈电微带线,微带线居中横跨在馈电槽线上,通过同轴/微带
图3 实际结构尺寸示意图
转换接头即可转换为同轴线馈电。这里的微带线与槽线间的过渡,我们未采用复杂的匹配措施。当然,也可采用共面波导或矩形波导馈电,渐变槽线与共面波导或矩形波导间的过渡,在一般的文献中都有介绍。
通常,渐变槽线天线均用于阵列天线单元,对辐射方向图无特定的要求,因此,很多文献对天线的VSWR的讨论较多,对辐射方向图的讨论则很少。从天线实际结构示意图可见,结构虽然很简单,但其馈电结构的设计却相当困难。仿真设计时发现:该天线的工作带宽主要决定于馈电结构,是设计的关键,这与前面定性讨论的结论是一致的。
天线的设计是使用IE3D仿真设计的。经过大量的设计计算,获得一组能够满足我们技术要求的结构尺寸。具体数据如下:
导体宽度:W=60.0mm
张角宽度:W a=20.0mm
渐变线长度:L a=20.0mm
馈电槽线长度:L f=10
.0mm 后向导体长度:
L
b
=10.0mm
馈电槽线宽度:W s=0.6mm
馈电微带线与后向导体边线之间的间隔:L s=15.0mm
馈电微带线伸出长度:S=7.0mm
馈电微带线与中心轴线之间的间隔:F=15.0mm
根据以上实际结构尺寸仿真设计的微带天线的VSWR曲线见图3,图4、5分别为天线的辐射方向图。
由图3、4、5的仿真结果可知:在2.6～6.6GHz的工作频带范围内,天线的V S W R≤2.0,在S频段和C 频段的工作频带范围内,天线的V S W R≤1.5,至于辐射方向图的分裂应为计算误差,这已为实际测试结果所验证。图4 微带天线的仿真设计VSWR曲线图5 E面仿真设计的辐射方向图
图6 H面仿真设计的辐射方向图
实际制作天线的尺寸与上述要求的尺寸之间总会
有一定的误差,我们在尺寸有一定变化时对天线性能的影响进行了计算。由于W 、W a 、L a 、L s 、F 等天线尺寸数值相对较大,制造误差对天线的性能不会产生大的影响,计算时对这些尺寸的变化未考虑。我们只是对馈电微带线尺寸、馈电微带线伸出长度及馈电槽线长度和宽度在尺寸变化0.1mm 时,对天线VSWR 的影响进行了计算。结果表明:在2.5～6.5GHz 的工作频带范围内,天线的VSWR ≤1.8,只是在具体频点上尺寸变化前后有差别。
4 实际测试结果
根据以上仿真设计的实际结构尺寸,我们加工了几种尺寸的微带天线。由于使用条件的限制,天线外表面水平尺寸并不是仿真设计的尺寸(W 由60mm 变为50mm ),这对实际天线的VSWR 结果会产生影响
。图5所示为天线的实际测试VSWR 结果。从图中可看出,结构尺寸的变小,使低频端性能变差,很少部分频点的VSWR ≥2.0,但基本满足要求。
图7 天线的实际测试VSWR 结果
图8分别为天线S 频段和C 频段的实测辐射方向图。可以看出:在工作频带范围内,辐射方向图的一致性是不错的。
5 结 论
本天线确实具有超宽频带的特性,具有良好的扇形辐射方向图,尺寸小,重量轻。在我们所设计的S 、C 工作频段,增加辐射贴片的水平尺寸,可将低频端的VSWR 性能提高。
天线所采用的馈电结构看似简单,实际上微带线与槽线之间尺寸的搭配极为关键,只有某种特定的配置才可能获得宽频带的效果,这一点很重要。如果馈电微带线与槽线之间,采用非均匀的短线匹配过渡,天线的带宽性能会更好,这是我们下一步要进行的工作。此外,介质基板的厚度与相对介电常数的选择对天线性能也有相当大的影响。与依赖表面波传播的Quasi 2Yagi 天线一样,渐变槽线天线通常也是制作在高介电常数的介质基板上,但带宽要比Quasi 2Yagi 天线宽得多,还有很大的增长潜力,达到两个倍频程以上的工作带宽是可能的。
根据天线辐射方向图的要求,本天线未采用高介电常数的介质基板,但达到了我们的使用要求。
根据仿真设计的数据结果制作的天线,其测试数据与计算结果基本上是吻合的。这表明由仿真设计的结构尺寸所得到的性能结果是可靠的,具有较高的准确性。
图8 天线C 、S 频段实测45°极化E 面辐射方向图
采用ANFSOFT HFSS对宽频带双层微带天线设计与仿真 石磊 北京理工大学微波通讯实验室 100081 摘要：天线作为通讯试验箱前段的重要组成部分，他承担着发射信号和接收的回波信号的任务。微带天线由于其本身的特点（如结构简单、低刨面、小型化、可以与飞行器表面共形安装而不影响飞行器的空气动力性能和占用飞行器内仓空间，天线可以与微带电路集成在一起，工业制造简单，价格低廉等优点）而得到了广泛的应用。但是对于微带天线来说，最严重的缺陷是单个贴片天的带宽太窄，与阵子天线、缝隙天线、波导开口喇叭天线等工作带宽一般在15%----50%相比，微带单贴片的天线带宽只能有百分之几。因此，最近微带天线大量的研究是关于微带天线的频带展宽技术。 关键字：双层微带天线 ，ANSOFT HFSS， 宽频带 1．天线形式的选择 选择双层微带天线原因 a.作为微带天线，它具有微带天线体积小、轻便易于集成和便于批量生产等特点。 b.根据设计要求的指标，采取了具有较宽的带宽的双层微带天线的结构。 2．天线的技术指标 由于天线作为两个近距离试验箱体上的辐射器，所以对其性能指标的要求不慎严格： * 工作频率：2.2G * 驻波比<1.5（带内） *相对带宽>10% * 极化：线极化 * 体积不能过大 3．天线结构的分析 微带天线的频带可以从以下三个方面的带宽来描述：阻带带宽、方向图带宽和极化带宽。一般来说阻带带宽是天线带宽的主要因素。通过对微带天线的分析知道，要展宽微带天线的的频带，可以采取以下几种方法：1）增加微代介质的厚度；2）降低微代介质的介电常数；3）采用有耗介质；4）对馈点电路采用宽带阻抗匹配（如阻抗匹配电路或采用开缝耦合对天线馈点）；5）采用对贴片谐振。前三种办法的效果比较小，而且第三种方法是以天线增益的降低为代价的；第四种方法需要设计宽带匹配电路，但电路结构复杂，制作难度大，因此我们采用第五种方法。该方法是利用多贴片耦合的方式，使每个贴片天线的谐振中心频率各不相同，而各谐振带宽又相互交叉，使整个天线的总体带宽展宽，如图1所示就像电路中采用的多级放大器展宽频带的方法类似。每个贴片均采用矩形结 幅 度 图1 微带天线的多级谐振占宽频带 构，根据矩形天线的理论，单个矩形微带贴片天线的长度近似为1/2个波导波长，因此，单个贴片的谐振中心频率可以按：
一种宽频带微带天线的设计Ξ 徐 勤 ΞΞ (南京船舶雷达研究所,江苏南京210003) 摘 要:介绍了宽频带渐变式微带缝隙天线的工作原理、设计参数及其对电性能的影响,设计了一种结构简单的天线形式,给出了该天线工作于S、C频段的结构尺寸以及VSWR、辐射方向图的仿真和测试数据曲线,两者之间有很好的一致性,并对影响天线性能的关键参数进行了误差计算。结果表明:在加工精度可达到的范围内,对天线性能的影响不大。该天线可应用于宽频带单极化、双极化阵列天线单元或反射面天线馈源。 关键词:雷微带天线;宽频带;馈源;阵列单元 中图分类号:TN822.8 文献标识码:A 文章编号:100920401(2004)022******* A design of broadband microstrip antenna X U Qi n (N anji ng M ari ne Radar Instit ute,CS IC,N anj ng210003,Chi na) Abstract:The operating principle and designing parameters of the broadband microstrip slot antenna and its influence to the electrical property are proposed in this paper.A simple form of antenna is de2 signed.The scantling of structure,VSWR,the simulation of the radiation pattern and testing data curve of the antenna operating on S and C bands with a consistency between them.An error calcu2 lating to the key parameter influencing the antenna performance is carried through.The results show that the accessible machining precision range will take little influence on the antenna perfor2 mance.The antenna is applicable to the array antenna element with broadband single polarization and dual polarization or antenna feed source with reflecting surface. K ey w ords:microstrip antenna;broadband;feed source;array element 1 引 言 通常,天线工作的最高频率与最低频率之比大于2,就属于宽频带天线;两者之比大于10,则被认为是超宽频带天线。超宽频带天线的设计是未来天线设计的发展方向之一。本文设计的宽频带渐变式微带缝隙天线,最早的形式是由P.J.G ibson、Prasad和Mahapa2 tra在1979年几乎同时提出的,它由一段一端很窄另一端按指数式、V型张开或常数未张开的槽线构成,一般分别称其为Vivaldi天线、L TSA天线或CWSA天线。通常采用双面敷铜介质基片制造,微带线印刷在介质基片的一面作为馈电,指数式、V型张开或常数开口的槽线印刷在介质基片的反面,其作用相当于微带馈电线与自由空间之间的阻抗变换网络。槽线的窄端区域决定了高频端的辐射,而张开的口径区域则决定了低频端的辐射。虽然它们的结构形式不完全相同,但工作原理及辐射的本质是一样的,如图1所示,为其典型的结构示意图。 该类天线的辐射情况与微带贴片、微带振子等不同,它属于端射式行波天线,依赖的是表面波传输,至端口辐射。由于表面波的相速一般低于光速,故渐变式微带缝隙天线属于一种慢波结构。对于沿传输路径表面波相速不变的行波天线,存在一个最佳的相速比,它能导致天线获得最大的方向性和更高的增益。但该类天线由于缝隙的渐变式张开,其传输相速是变化的,从而方向性降低,副瓣电平也降低。在与介质基片平 Ξ Ξ Ξ作者简介:徐勤(1962-),男,江西临川人,南京船舶雷达研究所高级工程师,从事舰戴雷达天线设计。 收稿日期:2004201212
第26卷 第1期2011年2月 电 波 科 学 学 报 CH INESE JO URNAL OF RADIO SCIENCE Vol.26,No.1 Febru ary,2011 文章编号 1005 0388(2011)01 0062 05 基于遗传算法的超宽带微带天线优化设计孙思扬1 吕英华1 张金玲1 喇东升1 赵志东1 阮方鸣2 (1.北京邮电大学电子工程学院,北京100876; 2 贵州师范大学物理电子学院,贵州贵阳550001) 摘 要 将遗传算法应用于超宽带微带天线设计。建立了基于遗传算法和高频电磁 仿真软件(H FSS)的优化工程。在此基础之上,优化设计出了一款超宽带微带天线。 讨论了该优化工程的操作流程,并对天线特性进行了研究。研究结果表明:所设计天 线在3 1~10 6GH z频段内的回波损耗小于-10dB,具有良好的超宽频带特性。 关键词 遗传算法;超宽带天线;优化;H FSS 中图分类号 TN82 文献标志码 A 1 引 言 自从美国联邦通讯委员会(FCC)将3 1~10 6 GH z之间的频段分配给超宽带(UWB)无线通信业务使用之后,超宽带技术以其高传输速率及较强的抗多径干扰能力在短距离高速无线通信领域引起了全球范围的广泛关注。在U WB系统中,结构紧凑,低成本,易于集成的UWB天线的研究设计成为最近几年研究的一个热点。研究者们提出了许多不同形状的超宽带平面单极子天线来满足超宽带通信系统的需求[1 5]。 遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化概率搜索算法。它最早由美国密执安大学的H olland教授提出,起源于60年代对自然和人工自适应系统的研究。作为一种全局优化搜索算法,遗传算法以其简单通用、鲁棒性强、适于并行处理等显著特点,在图像处理、组合优化、自动控制等众多领域获得了成功的应用[6]。 随着微带天线设计理论与技术的不断发展,遗传算法开始引入到微带天线设计中来[7 11]。通过遗传算法对天线的结构参数进行全局优化,得到满足某些性能要求的微带天线。本文成功地将遗传算法应用于超宽带微带天线设计,建立了基于遗传算法和H FSS(hig h fr equency simulatio n so ftw are)的优化工程以执行参数优化任务。在此基础上,优化出了一款具有超宽频带特性的平面单极子天线。为了获得超宽带的频率特性,采用圆环形辐射贴片,并通过在接地板上蚀刻缝隙以改善阻抗匹配。对所设计天线的输入端反射特性及辐射方向图进行了仿真分析。结果表明:该天线在3~11GH z频段内的回波损耗小于-10dB,完全可以覆盖FCC分配给UWB 业务的3 1~10 6GH z频段。 2 遗传优化策略 本文建立了基于遗传算法和H FSS(high fre quency simulation softw ar e)的优化工程以执行参数优化任务,并对其编程实现。该工程包含两个功能模块:遗传算法模块和适应度模块,如图1所示。 遗传算法模块实现参数优化功能,如图2所示。它执行以下三个步骤 1)产生每个个体的结构参数,并将其传递给适应度模块; 2)接收由适应度模块计算并传递来的个体的适应度值; 3)对接收来的个体适应度值进行循环终止条 收稿日期:2010 02 12 基金项目:教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(编号:200700130046);国家自然科学基金资助项目(编号:60771060,60971078) 联系人:孙思扬E mail:ssybupt@g mail com
参考文献 [1]YD/T 1108-2001. CDMA数字蜂窝移动通信网无线 同步双模（GPS/GLONASS）接收机性能要求及与基站间接口技术规范[S]. [2]YD/T 1030-1999. 800MHz CDMA数字蜂窝移动通信网空中接口技术要求[S]. [3]广嘉电子. 北斗一号授时技术及在电力系统中的应用[J]. 基础电子,2008(5). [4]杜雪涛,李楠,刘杰. 北斗与GPS双授时在TD-SCDMA中的应用[J]. 电信工程技术与标准化, 2007(7). [5]潘巍,常江,张北江. 北斗一号定位系统介绍及其应用分析[J]. 数字通信世界,2009(9). ★ 【作者简介】 陆晓东：硕士毕业于北京邮电大学电信工程学院通信与信息系统专业，现为中国电信股份有限公司北京研究院副主任工程师，长期从事电信行业咨询、3G无线网络规划与优化领域研究。曾发表多篇论文，合著有《CDMA2000无线网络规划优化技术》一书。 【摘 要】文章首先提出了一种适用于基站天线的新型宽频带双极化偶极子天线单元，并利用HFSS对天线单元的电性能进行了仿真。随后，利用该天线单元组成了一个4单元的基站线阵，并对阵列的反射底板和侧板进行了适当的设计与优化，最后也进行了仿真。 【关键词】基站天线 宽频带双极化天线 Г形微带馈线 天线阵列 HFSS 收稿日期：2010-08-13一种新型的宽频带双极化基站天线 黄 聪 薛锋章 华南理工大学电子与信息学院 1 引言 由于无线应用业务的迅速扩展以及手机用户数量的爆发性增长，社会对宽带无线通信的需求也日趋增长。而宽频带基站天线作为宽带无线通信系统一个必不可少 的前端部件，在某些情况下更希望它能够实现极化分集的效果，尤其是在一些先进的无线通信系统当中[1]。 正因为如此，近年来，宽频带、双极化、小型化天线日益受到人们的青睐。正如文献[1]所指出的，宽频带天线也相应地由单极子圆盘天线向宽频带双极化天线演 进。不少文献已提出了一些宽频带天线的设计，例如圆
2007 年 2 月JOURNAL OF CIRCUITS AND SYSTEMS February, 2007 文章编号：1007-0249 (2007) 01-0143-04 一种新颖的超宽带楔形微带准喇叭天线设计* 李育红1,2，杨程1，周正1 （1. 北京邮电大学无线网络实验室，北京 100876；2. 北京工商大学信息工程学院，北京 100037） 摘要：近年来，超宽带（UWB）无线通信技术的发展日益引起人们的关注和兴趣，超宽带天线设计是一个具有挑战性的课题。本文提出一种新颖的超宽带楔形微带准喇叭天线设计，通过合理设计辐射贴片和介质基板的尺寸及形状，有效地展宽了天线带宽。仿真结果显示其VSWR<2的频带范围较大，而且随着频率的增加，天线的增益有增大的趋势。此外，这种天线成本较低廉，比较容易制作。 关键词：超宽带（UWB）；微带天线；辐射方向图；驻波比 中图分类号：TN822 文献标识码：A 1 引言 超宽带（ultra-wideband：UWB）无线通信技术以其超高速、超大容量、低成本、低功耗、低系统复杂度、保密性好、抗多径衰落、节省频谱资源、能提供厘米级定位精度等诸多优点，特别适用于室内等密集多径场所的高速无线接入及军事通信应用，成为近年来迅速发展起来的新一代短距离无线通信系统的最强有力的候选技术。而天线在UWB无线通信系统中起着关键作用，天线设计更是一个具有挑战性的课题。传统天线不适合传输UWB信号及便携应用[1]，某些天线是色散的，如对数周期天线，不具备适合UWB信号传输所应具有的良好的冲激脉冲特性，因为从天线的不同部分辐射不同的频率成分；某些天线，如UWB的环形天线，具有较好的辐射波形，但反射大而且匹配较差；其它天线，如蝴蝶结天线虽然用阻抗负载获得了良好的匹配和较大的阻抗带宽，但辐射效率又太低。 满足UWB设计的天线应该具有大带宽、高辐射效率、低功耗、易制作并且对于UWB信号的激励响应是稳定的。目前被H.G.Schantz等人[2~4]报道的较成功的UWB天线设计有：微带三角形偶极天线、微带圆形或椭圆形偶极天线、磁性缝隙天线及环形天线[5]等。 本文设计的新颖的超宽带楔形微带准喇叭天线做为一种有益的探索和尝试,为超宽带天线的设计及微带天线的应用提供了一种新的思路。通过合理地设计介质基板及辐射贴片的形状，有效地展宽了天线带宽，在天线输入端口不需要任何阻抗变换器,匹配良好，增益从 2.8GHz的7dBi到14GHz的17dBi，且具有较好的辐射方向图，易制作，成本低廉。 2 微带天线概述 微带天线的概念早在1953年就已经被提出来了，但当时并未引起工程上的足够重视。在五十年代和六十年代也只有一些零星的研究，真正的发展和推向实用是在70年代中期以后。由于微波集成技术的发展以及各种低耗介质材料的出现，微带天线的制作得到了工艺保证；而空间技术的发展，又迫切需要低剖面的天线元。1970年出现了第一批实用的微带天线。这以后微带天线的研究有了迅猛的发展，新形式和新性能的微带天线不断涌现，发表了大量学术论文和研究报告，召开了专题会议和出版专集。这些都表明微带天线以其重量轻、体积小、低成本、低剖面、易集成等显著优点已经成为天线研究中的一个重要课题[6]，受到了人们的广泛关注，吸引国内外广大学者研究和探讨。甚至在微带天线处于其幼年时期就已经有许多成功和不同的应用，对于大多数的应用，它都可以取代常规的天线，实际设计中已经有的重要系统中使用微带天线的有：卫星通信、卫星导航接收机、导弹遥测、武器信管、指 * 收稿日期：2004-04-06 修订日期：2004-12-14 基金项目：国家863计划项目（2003AA123240）；国家自然科学基金项目（60372097）；教育部科学技术研究重点项目（03035）
一种超宽频带双圆锥全向天线的设计3 汪 漪,徐 勤,吴志峰33 (南京船舶雷达研究所,江苏南京210003) 摘 要:介绍了一种可工作于0.8～16GHz的超宽带双圆锥全向天线的工作原理、设计参数及其对电性能的影响,给出了该天线工作于X波段的具体结构尺寸以及VS WR、辐射方向图的仿真和测试数据曲线,以及此天线在0.8～16GHz范围内的VS WR的测试数据曲线,并提出了一些设计此天线的关键点。结果表明,此天线具有频带宽、全向均匀性好、增益大、结构简单等优点,可广泛应用于高低功率的雷达、通讯中的全向天线。 关键词:雷达;双圆锥全向天线;X波段 中图分类号:T N823.15 文献标识码:A 文章编号:1009-0401(2005)01-0025-03 Design of an ultra2wideband biconical o mni2directi onal antenna WAN G Yi,XU Q ing,WU Zhi2feng (N anjing M arine R ada r Institu te,N an jing210003,China) Abstract:The operating p rinci p le of an ultra2wideband biconical omni2directi onal antenna operating within0.8～16GHz is p resented in this paper.And its design para meters and influence on the electri2 cal p r operties are als o p r oposed.The structural size of the antenna operating at X2band and the si m ula2 ti on and test data curves of the VS WR and the radiati on pattern are p resented.The test data curve of the VS WR of the antenna operating within0.8～16GHz are als o p resented,and s ome key points of an2 tenna design are given.The results show that this antenna possesses the advantages of wide2band,good omni2directi onal unifor m ity,high gain and si m p le structure,and may be widely app lied in the omni2di2 recti onal antennas of high/l ow power radars and communicati ons. Key words:radar;biconical omni2directi onal antenna;X2band 1 引 言 通常,天线工作的最高频率和最低频率之比大于10,则被认为是超宽频带天线。本文介绍的双圆锥天线的最高频率和最低频率之比大于20,是典型的超宽带天线。此天线的结构形式如图1所示。 此天线结构简单,由两个金属圆锥和一根同轴馈线构成。其辐射情况是由振子天线演化而来,圆锥臂可以用金属板围成,也可由金属网构成。前者用于高频,后者用于低频,设计方法有差别。当锥角θ=≥20°时,双圆锥天线的带宽非常宽。它的辐射空间在两个圆锥臂之间,同轴线的内外导体分别接到双圆锥的两个顶点,即可激励最低模式TE M波。 也可以用圆波 图1 超宽带双锥全向天线典型结构 导E 01 模激励,不过其辐射的是水平极化波。这种喇叭无论工作在垂直极化还是水平极化波,其水平面都是全方向性的;在垂直面,则可按照对应极化的喇叭方向图尺寸计算,波瓣宽度与锥角和斜长有关。这种形式 52 雷达与对抗 2005年 第1期 3 33收稿日期:200421128 作者简介:汪漪(1979-),男,安徽芜湖人,南京船舶雷达研究所助理工程师,现从事雷达天线研发工作。
宽带微带天线技术的探讨 摘要：随着现代通信和雷达技术的飞速发展，宽频带技术已经成为当前微带天线的研究重点。概述了微带天线实现宽频带所采用的主要措施及各自的优缺点，并介绍了分析方法以及目前常用的设计软件。 关键词：微带天线；宽频带；雷达；通信 近些年来,天线作为通信、广播、雷达、制导等无线电应用系统的关键设备在功能、设计及制造工艺上都发生了巨大变化。尤其微带天线以他重量轻、可共形、易集成、便于匹配等优点获得了更多青睐。尤其在移动通信和个人通信中，微带天线的地位在将来的发展中将无可比拟。然而，一般单层微带天线的带宽只有0.7%～7%，频带窄这一主要缺点又制约了他的发展。目前，很多的研究人员致力于展宽微带天线的带宽采用了各种方法，使得天线单元的带宽达到了13%，16%，25%甚至40%（SWR<2 1宽带微带天线的发展概况和动态 目前，微带天线的宽带技术有以下几种： 1.1采用特殊材料的介质基片 微带天线阻抗频带窄的根本原因在于他是一种谐振式天线，他的谐振特性犹如一个高Q 并联谐振电路。因此，展宽频带的基本途径是降低等效谐振电路的Q值。这样，可以采取增大基片厚度，降低基片的介电常数εr等方法实现。由于因辐射引起的Q值几乎与电厚度h／λ成反比，所以加厚基片是展宽频带的有效手段，但是基片加厚过大会引起表面波的明显激励。降低εr可以将带宽扩至1～2倍，同时可以减小表面波的影响，但要求馈线宽，需抑制辐射损耗的加大。目前，一个不常用但非常简单的降低Ｑ值的方法是采用大损耗基片或附加有耗材料。例如用铁氧体材料作基片可以明显展宽频带，且使贴片尺寸大为减小即实现了小型化，但由于损耗大，其效率很低［1］ 1.2附加阻抗匹配网络 这种方法实际上并不属于天线本身的问题，而是属于馈线匹配问题。由于线极化微带天线的工作带宽主要受其阻抗带宽限制，因此采用馈线匹配技术就能使他工作于较宽频域上。例如采用简单的双枝节匹配技术，可将带宽增大至2倍左右。利用切比雪夫网络来综合宽频带阻抗匹配网络，可将带宽增大到4倍左右。 如图1所示的这种结构，由于采用探针馈电，所以不可避免地给天线附加了较大的输入电抗。因此根据传输线理论引入图中的传输线枝节（stub），使他与天线贴片共面并与贴片的辐射边相连。这样，他可以补偿馈电探针引起的输入电抗，使整个天线达到匹配。在这里，微带传输线枝节就充当了一个简单的匹配网络。因此，当天线和枝节的尺寸与位置设计合理时，微带天线的带宽可以达到25%［2］。这种天线结构简单，制作方便，匹配也比较易于实现。但
Ultra-Wideband Microstripe Antenna Design 陳建宏 Chien-Hung Chen 摘要 近十年來由於微帶天線具有體積小、重量輕、製作容易、價格低廉、可信度高，同時可附著於任何物體之表面上的特性，在無線通訊的應用上扮演著重要的角色。本文將利用全平面正方形單極微帶天線當作設計天線的原型，藉由調整金屬貼片的上緣、下緣部份與接地面的上緣部份來研製適用於超寬頻通訊系統的微帶天線。由模擬與實驗結果比較得知，可以發現其響應非常吻合，是一個適用於超寬頻通訊產品的天線。 關鍵詞：微帶天線、單極、超寬頻
、簡介 美國聯邦通信委員會（Federal Communication Commission,FCC）在西元2002年2月14日允許超寬頻技術使用於消費性電子產品上，並公佈了初步規格，FCC開放3.1GHz~10.6GHz提供超寬頻通信及測試使用。為了研究開發適用於此頻段的天線技術。將利用微帶天線的優點：體積小、重量輕、低成本、容易製作等特性，來研製適用於超寬頻通訊系統的微帶天線。 傳統的寬頻天線[2]中有行進波線天線（Traveling-Wave Wire Antenna）、螺旋形天線（Helical Antenna）、偶極圓錐形天線（Biconical Antenna）、單極圓錐形天線（Monoconical Antenna）、盤錐形天線（Discone Antenna）、袖子形天線（Sleeve Antenna）、渦狀天線（Spiral Antenna）和對數週期天線（Log-Periodic Antenna），不過其中適用於超寬頻系統的只有偶極圓錐形天線、單極圓錐形天線和盤錐形天線[3]。因為其不僅有大的輸入阻抗頻寬（Large Input Impedance Bandwidth）、其輻射場形（Radiation Pattern）也能控制在一定的頻寬中。 利用虛像法（Method of Image）[4]及接地面（Ground Plane）來使偶極天線變成單極天線，從早期的線型單極天線－窄頻（Narrowband），演化成單極圓錐形天線－中頻寬（Intermediate
应用于WLAN的宽频带天线设计
摘要：为了设计出可以覆盖无线局域网WLAN的2.4GHz，5.2GHz，5.8GHz三个频带的天线，采用一种结构简单的宽带双频共面波导馈电的单极子天线。该天线由一个平面倒L形和一个倒U形贴片连接构成，实际加工制作了一个天线并且实测了S11参数，结果表明该天线具有两个独立的谐振模式，并且在应用范围内具有良好的阻抗匹配特性。 引言 无线局域网WLAN(Wireless Local Area Network)是利用无线技术实现快速接入以太网，是无线通信技术与计算机网络相结合的产物，是对有线局域网的一种补充和扩展。和有线网络相比，WLAN具有可移动性、灵活性、更迅速、费用低、网络可靠性高等优势。近年来，随着IEEE 802.11a(5.15～5.35GHz，5.725～5.825GHz)和IEEE 802.11b/g(2.4～2.483 5GHz)标准的提出，WLAN得到了迅猛发展.与此同时对WLAN天线的要求也越来越高，要求其体积小、重量轻、生产加工便捷、天线成本低廉，同时在功能上要求使用频宽较宽以及有双频性能以同时达到IEEE 802.11a/b/g标准要求。所以，近年来对小型化的多频段WLAN天线的研究大量涌现。 在平面单极子天线中，有一种倒L形平面单极子天线，国际上已经对此进行了研究，在理论模拟仿真上，可以同时满足IEEE802.11a/b/g标准要求，其设计形式更简单，在满足带宽的要求上，体积还可进一步的缩小。所以，本文将在原来的微带馈电的倒L平面单极子天线的基础上，改变其馈电的形式，研制出一种共面波导馈电的倒L-U平面单极子天线。仿真和实测表明该天线在WLAN的三个频带范围内均具有很好的阻抗匹配和辐射特性。 1 倒L-U平面单极子天线的设计 1.1 天线分析与设计 WLAN天线形式有很多种，比如微带天线，八木天线、平面单极子天线等等。选择平面单极子天线的原因是，相对于微带天线，其带宽大；相对于八木天线，其体积小且容易共形。平面单极子天线与微带天线的结构不同在于：在金属辐射贴片对应的介质衬底另一侧的金属地板被去除，也就是采用了部分地板结构。微带天线的带宽低，因为其Q值大，即在辐射板与地板之间储存了大量的能量。平面单极子天线的辐射板的对应地板去除了，加大了辐射电阻，辐射出去的能量也大大的增加，Q值变小，带宽增大。选择共面波导馈电的形式，将地板与辐射板共面，使得带宽又增大了，而且结构更紧凑。但是由于天线与共面波导之间缺少有效的隔离，造成天线性能受共面波导尺寸的影响较严重。
- 114 - Ansoft2004年用户通讯 采用ANFSOFT HFSS对宽频带双层微带天线设计与仿真 石磊 北京理工大学微波通讯实验室 100081 摘要：天线作为通讯试验箱前段的重要组成部分，他承担着发射信号和接收的回波信号的任务。微带天线由于其本身的特点（如结构简单、低刨面、小型化、可以与飞行器表面共形安装而不影响飞行器的空气动力性能和占用飞行器内仓空间，天线可以与微带电路集成在一起，工业制造简单，价格低廉等优点）而得到了广泛的应用。但是对于微带天线来说，最严重的缺陷是单个贴片天的带宽太窄，与阵子天线、缝隙天线、波导开口喇叭天线等工作带宽一般在15%----50%相比，微带单贴片的天线带宽只能有百分之几。因此，最近微带天线大量的研究是关于微带天线的频带展宽技术。 关键字：双层微带天线，ANSOFT HFSS，宽频带 1．天线形式的选择 选择双层微带天线原因 a. 作为微带天线，它具有微带天线体积小、轻便易于集成和便于批量生产等特点。 b. 根据设计要求的指标，采取了具有较宽的带宽的双层微带天线的结构。 2．天线的技术指标 由于天线作为两个近距离试验箱体上的辐射器，所以对其性能指标的要求不慎严格： * 工作频率：2.2G * 驻波比 <1.5（带内） * 相对带宽>10%
* 极化：线极化 * 体积不能过大 3．天线结构的分析 微带天线的频带可以从以下三个方面的带宽来描述：阻带带宽、方向图带宽和极化带宽。一般来说阻带带宽是天线带宽的主要因素。通过对微带天线的分析知道，要展宽微带天线的的频带，可以采取以下几种方法：1）增加微代介质的厚度；2）降低微代介质的介电常数；3）采用有耗介质；4）对馈点电路采用宽带阻抗匹配（如阻抗匹配电路或采用开缝耦合对天线馈点）；5）采用对贴片谐振。前三种办法的效果比较小，而且第三种方法是以天线增益的降低为代价的；第四种方法需要设计宽带匹配电路，但电路结构复杂，制作难度大，因此我们采用第五种方法。该方法是利用多贴片耦合的方式，使每个贴片天线的谐振中心频率各不相同，而各谐振带宽又相互交叉，使整个天线的总体带宽展宽，如图1所示就像电路中采用的多级放大器展宽频带的方法类似。每个贴片均采用矩形结 幅 度 图1 微带天线的多级谐振占宽频带 构，根据矩形天线的理论，单个矩形微带贴片天线的长度近似为1/2个波导波长，因此，单个贴片的谐振中心频率可以按： f=c λd=qγc
---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ Vivaldi基于CST的超宽带微带天线设 计 摘要天线，在任何无线电系统组成中，都是必不可少的组件。随着无线电通信技术的发展，天线在各个领域得到了广泛的应用。 超宽带技术是当今最具竞争力和发展前景的技术之一。其具有许多窄带系统无法比拟的优点，例如：高数据速率、低系统成本和抗多径效应,抗干扰性强、频谱覆盖范围广、距离分辨率高、对现有系统干扰小等。 由于无线电的应用频段被不断地扩展，进而促进了超宽带电磁学的产生。在超宽带频段内，时域特性的研究表明，时域电磁波是人类非常重要的资源，作为超宽带无线电系统中不可缺少的一员，超宽带天线的研究也因此变得相当有意义。 本论文主要研究了关于超宽带微带天线的设计。首先 1 / 30
介绍了天线及微带天线的基本理论，然后重点研究了超宽带天线，Vivaldi天线，详细分析设计了Vivaldi天线的传统模型，以及改进模型，并利用CST STUDIO SUITE 2010软件仿真，分析了Vivaldi天线可以使用的工作频率范围、性能以及尺寸等。5558 关键词天线，超宽带，CST，Vivaldi天线 毕业设计说明书外文摘要 TitleTheCST-basedUltra-WidebandMicrostrip AntennaDesign Abstract Antenna, in the composed of any radio system, are essential components. With the development of radio communication technology, the antenna has been widely applied in various fields.