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宽带圆极化微带天线分析与设计一、本文概述本文旨在深入探讨宽带圆极化微带天线的分析与设计。
随着无线通信技术的飞速发展，天线作为无线通信系统的关键组成部分，其性能直接影响到整个系统的传输质量和效率。
宽带圆极化微带天线作为一种重要的天线类型，具有宽频带、圆极化、低剖面、易集成等优点，因此在卫星通信、移动通信、雷达系统等领域具有广泛的应用前景。
本文将首先介绍宽带圆极化微带天线的基本原理和特性，包括其辐射机制、极化特性、带宽特性等。
随后，将详细分析宽带圆极化微带天线的设计方法，包括天线尺寸的选择、馈电方式的设计、介质基板的选取等。
在此基础上，将探讨影响天线性能的关键因素，如阻抗匹配、交叉极化、增益等，并提出相应的优化策略。
本文还将通过具体的案例分析，展示宽带圆极化微带天线在实际应用中的性能表现。
通过对比分析不同设计方案下的天线性能，为工程师和研究者在实际应用中提供有益的参考。
本文将总结宽带圆极化微带天线的设计与优化策略，并展望其未来的发展趋势和应用前景。
通过本文的研究，旨在为宽带圆极化微带天线的分析与设计提供理论支持和实践指导。
二、圆极化微带天线的基本原理圆极化微带天线是一种能够在空间中产生圆形极化波的天线，它具有独特的电磁辐射特性，广泛应用于无线通信、雷达探测和卫星通信等领域。
了解圆极化微带天线的基本原理对于其分析与设计至关重要。
圆极化波是一种电磁波，其电场矢量在空间中随时间旋转，形成一个圆形的轨迹。
圆极化微带天线通过特定的设计和构造，能够在其辐射区域内产生这样的圆形极化波。
这种波形的特性在于，无论接收天线的极化方式如何，圆极化波都能在一定程度上被接收，因此具有更好的抗干扰能力和更广泛的适用性。
圆极化微带天线的基本原理主要基于电磁场理论和天线辐射原理。
它通过在微带天线的辐射贴片上引入特定的相位差，使得天线的两个正交分量产生90度的相位差，从而形成圆极化波。
这种相位差可以通过在辐射贴片上刻蚀特定的槽口或引入附加的相位延迟线来实现。
一种新型宽带圆极化GNSS天线设计杨波【摘要】设计了一种基于十字馈线结构和F型缝隙结构的新型圆极化微带贴片天线,利用不对称的十字形馈线以及在方形微带贴片表面对称开F型缝隙的手段,在圆极化辐射的前提下达到了拓宽轴比带宽的目的.利用全波电磁仿真软件CST2017对天线结构尺寸的进一步优化,使得天线工作在GNSS频段.该新型微带贴片天线工作频带为2.29～2.59 GHz,阻抗带宽达到12.5％,3 dB轴比带宽16.9％,在2.4 GHz 频率上天线的方向性系数为3.48 dBi.结果表明,贴片表面十字馈线结构加F型缝隙是实现圆极化的有效方法.【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2018(037)007【总页数】4页(P46-48,52)【关键词】微带天线;圆极化;CST;GNSS;十字结构;F型缝隙【作者】杨波【作者单位】吉林大学电子科学与工程学院, 吉林长春 130000【正文语种】中文【中图分类】TN702伴随着通信系统的进步,近几十年来学者们对于圆极化天线的研究越来越深入。
正是因为圆极化天线在极化方向上存在正交性,所以其经常用来和其他天线搭配使用,不仅如此,鉴于圆极化天线极强的抗干扰能力,它还被广泛应用于抗多径衰落、抗电子干扰、雷达通信、卫星导航等领域[1]。
在卫星导航领域,目前GNSS全球定位系统已经不仅局限于军事用途,还开放了民用领域,故其具有极大的市场潜力和应用价值。
微带贴片天线在无线通信系统射频集成电路、雷达系统、卫星通信等领域均有出现,其具有加工难度小、成本低廉、低剖面等特点。
而绝大多数的圆极化天线实现形式均为微带贴片天线,圆极化微带贴片天线在工作频带内可以接收任意极化方向的来波,这使得其具有很强的抗干扰能力,这一点是线极化天线无法比拟的。
天线产生圆极化需要同时满足两个条件,其一为时间正交,即两个方向的线极化相位相差90°;其二为空间正交,即这两个方向的线极化波在极化方向上相互正交。
一种十字形缝隙耦合的Ku波段宽频带双极化微带天线
林炫龙;姜兴;李思敏
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2007(30)17
【摘要】采用十字缝隙耦合,层叠贴片和微带线馈电的结构形式,设计了一种适用于Ku波段的宽频带双极化微带天线.利用电磁仿真软件CST 5.0微波工作室对天线的电特性进行仿真优化,并制作了实物模型,实测结果和仿真结果吻合良好.两馈电端口回波损耗小于-10 dB的阻抗带宽分别达到34.2%和28.7%,端口隔离度高于21.4 dB.
【总页数】3页(P52-54)
【作者】林炫龙;姜兴;李思敏
【作者单位】桂林电子科技大学,广西,桂林,541004;桂林电子科技大学,广西,桂林,541004;桂林电子科技大学,广西,桂林,541004
【正文语种】中文
【中图分类】TN82
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一种波导缝隙馈电的圆极化微带天线杨国伟张厚王剑（空军工程大学导弹学院，陕西三原，713800）摘要：本文设计了一种利用波导缝隙对微带天线直接激励的馈电结构，结合十字缝隙耦合实现了微带天线的圆极化。
该结构与传统结构相比具有结构简单、制造方便的特点。
由于是波导直接激励，避免了传统微带阵列天线由馈电网络引起的衰减。
并且，由于波导本身的宽频带特性，消除了由于馈电网络引起的天线带宽窄的现象。
关键词：波导微带天线圆极化中图分类号：TN823The Circle-polarized Microstrip Antenna feeding with WaveguideSlotYANG Guo-wei , ZHANG Hou, WANG Jian(The missile institute, air force engineering university, Sanyuan, Shanxi 713800, China) Abstract:A microstrip-antenna feeding structure used waveguide slot is designed in this article, and the cross aperture coupling is used to realize the circle-polarized. This feeding structure is simpleness、convenience compared to the traditional structure. The antenna is feed by the waveguide directly and the loss begot by the feeding network which is used by traditional antenna array is reduced, and the narrowband characteristic of feeding network is avoided because of the waveguide broadband characteristic.Key words:Waveguide Microstrip-antenna Circle-polarized1 引言随着通信技术的飞速发展，对天线的要求也越来越高。
一种宽带圆极化数字型缝隙天线的设计宽带圆极化数字型缝隙天线是一种新型的天线设计，它具有宽频特性和良好的圆极化特性，适用于无线通信系统中的各种应用场景。
本文将介绍一种基于数字信号处理技术的宽带圆极化缝隙天线的设计，包括其结构、工作原理和性能特点。
1. 设计目标宽带圆极化数字型缝隙天线的设计目标是在实现宽频特性的保持良好的圆极化特性，以满足不同频段和不同应用场景下的通信需求。
具体包括以下几点目标：(1) 宽频特性：在设计过程中，需要考虑到天线工作频段的覆盖范围，尽可能实现宽频特性，以满足多频段通信的需求。
(2) 圆极化特性：天线需要具有良好的圆极化特性，可以在不同方向和位置上实现稳定的圆极化波传输，适用于复杂的多径传输环境。
(3) 数字信号处理：利用数字信号处理技术，对天线进行优化设计，提高其性能和灵活性，适应不同的通信系统和信号处理需求。
2. 结构设计(1) 天线主体：天线主体采用了缝隙天线的结构，包括辐射单元和辐射体。
辐射单元采用了特殊的形状设计，以实现宽频特性和良好的圆极化特性。
(2) 馈源系统：馈源系统采用了数字型馈源技术，利用数字信号处理技术实现对天线的精确控制和调整，以满足不同频段和不同波束方向的需求。
3. 工作原理宽带圆极化数字型缝隙天线的工作原理是利用缝隙天线的基本结构和数字信号处理技术，实现对天线工作状态和性能的精确控制和优化。
其工作原理可以分为以下几个方面：(2) 数字信号处理：通过数字信号处理模块对馈源系统进行控制，实现对天线工作状态和性能的精确调整，包括频率调整、波束控制和极化调整等。
4. 性能特点宽带圆极化数字型缝隙天线具有以下几个性能特点：(4) 适用性广泛：由于具有宽频特性和良好的圆极化特性，该天线适用于各种应用场景，包括无线通信系统、卫星通信系统、雷达系统等。
基于缝隙耦合的微带天线设计摘要：能够同时适用于射频识别、全球微波无线互联网和无线局域网这几大主流物联网通信技术标准的宽频天线的设计要求越来越高，比如体积小、成本低等，而微带天线体积小、剖面低且可集成化程度高，适合大批量生产，但其频带较窄，使用范围受到限制。
为此，提出了一种紧凑型宽频带微带贴片天线。
该天线引入了L型缝隙和三角形缝隙，仿真结果表明，天线－10dB阻抗带宽可达到100%，其工作频带为1．5GHz～4．3GHz;轴比带宽为3．4GHz～3．8GHz，圆极化带宽为11%;在该范围内的增益都在3dB以上;整个工作频带范围内都实现了宽频带、高增益等特性，适用于射频识别、蓝牙、WLAN等频段。
关键词：宽频带;微带贴片天线;增益;圆极化引言近年来，随着无线电技术的迅猛发展，对天线的要求越来越高，既需要天线高增益、宽频带，还要求具备剖面低、重量轻、易制作等特点。
当前无芯片射频标签正逐渐兴起。
频率编码容量大的无芯片标签工作的频率范围很宽，对标签阅读器的天线提出了更宽频带的要求。
微带天线因为其固有的窄带宽的特点，导致其应用大大地受到限制。
为了拓展微带天线的带宽，1984年，Pozar首次提出了缝隙耦合馈电微带天线，该天线隔离了馈电网络与辐射贴片，降低了馈电网络杂散波对辐射贴片的影响，克服了传统馈电方式带来的电感效应。
用缝隙耦合馈电的方式来拓展带宽，工程师们做了大量的卓有成效的工作。
1结构分析1.1天线结构设计按照结构特征分类可以把微带天线分为微带贴片天线和微带缝隙天线。
从以往的研究来看，不同的贴片形状也会影响天线的阻抗带宽。
常用的贴片形状为矩形、正方形、圆形、三角形或者其他，通常会在这些图形的基础上做一些更加复杂的变化，以此改变天线的工作带宽、波束宽度、增益、轴比特性、圆极化等，来满足实际应用的需求。
本次设计的宽频带天线最终整体结构如图1所示。
该天线对贴片的缝隙大小以及位置进行设计修改，整体包含三个部分，分别为顶层辐射金属贴片层、中间介质基板、底层接地板金属贴片层。
一种宽带圆极化数字型缝隙天线的设计1. 引言随着近年来通信技术的飞速发展，人们对通信设备的需求也越来越大。
而天线作为通信设备中的重要组成部分，其性能直接影响着通信质量和覆盖范围。
如何设计一种高性能的天线成为了研究的焦点之一。
本文针对现有天线的一些缺陷，提出了一种新型的宽带圆极化数字型缝隙天线的设计。
该天线不仅具有宽带特性，还能实现圆极化和数字化，适用于多种通信场景。
本文将对该天线的设计原理、结构和性能进行详细介绍。
2. 设计原理宽带圆极化数字型缝隙天线的设计原理主要基于缝隙天线和数字天线的特点。
缝隙天线是一种基于金属缝隙的辐射元件，具有宽带特性和较高的增益。
而数字天线则是利用数字信号处理的技术实现对信号的调控和优化，可以灵活调节天线的辐射特性。
基于以上原理，我们设计了一种缝隙天线结构，并在其基础上加入了数字控制模块，实现了天线的数字化。
通过精心设计缝隙的结构和布局，使其具有圆极化特性，满足了在不同通信环境下的需求。
3. 结构设计该宽带圆极化数字型缝隙天线的结构主要包括缝隙天线主体、数字控制模块和信号处理单元。
缝隙天线主体由金属基板和缝隙组成，金属基板用于支撑和固定缝隙，缝隙则用于产生电磁波。
数字控制模块主要包括数字信号处理器和控制电路，用于对缝隙天线进行数字调控。
信号处理单元则用于对接收到的信号进行处理和优化。
具体来说，缝隙天线的主体采用了特殊的结构设计，使其在工作频段内具有宽带特性，并且通过合理设计缝隙的形状和布局，实现了圆极化特性。
数字控制模块利用数字信号处理器实现了对天线的数字控制，可以灵活调节天线的辐射特性。
信号处理单元则对接收到的信号进行处理和优化，提高了通信质量。
4. 性能分析该宽带圆极化数字型缝隙天线具有以下几点性能优势：1）宽带特性：由于采用了特殊的结构设计，使得天线在工作频段内具有宽带特性，能够适应各种频段的通信需求。
2）圆极化特性：通过合理设计缝隙的形状和布局，实现了圆极化特性，使得天线在空间中的辐射特性更加均匀和稳定。
一种宽带圆极化数字型缝隙天线的设计
随着通信技术的发展，无线通信系统的需求越来越广泛。
在这类系统中，使用印刷天线已成为一种成熟的技术，它具有体积小、重量轻、成本低等优点，因而成为无线电通信设备中重要的组成部分。
在印刷天线中，缝隙天线是一种很受欢迎的天线类型，由于它简单、便宜且易于制造，因而广泛应用于现代通信系统中。
在这篇论文中，我们介绍了一种宽带圆极化数字型缝隙天线的设计。
这种天线是一种基于缝隙耦合的天线，它的结构简单，易于制造，能够实现宽带和圆极化的性能。
在该设计中，我们采用了数字型缝隙天线结构，通过改变天线缝隙的形状和大小，实现了宽带和圆极化的性能。
由于数字型缝隙天线结构的独特性，天线具有很好的圆极化性能，天线模型的VSWR值小于2，带宽范围为2.9-3.7GHz，可以应用于无线通信系统中。
为了验证天线的性能，我们使用了三维电磁模拟软件进行电磁仿真，并制作了实物样品进行测试。
仿真结果表明，该天线可以实现宽带和圆极化的性能，实测结果也证明了仿真结果的准确性。
在电磁仿真和实物测试中，该天线的性能均表现出很好的宽带和圆极化性能。
总之，本论文提出的宽带圆极化数字型缝隙天线的设计在现代通信系统中具有广泛的应用前景。
这种天线具有结构简单、易于制造、宽带和圆极化性能好等优点，可以应用于无线电通信系统中。
基于十字形缝隙耦合的宽带圆极化微带天线设计
作者：何越等
来源：《现代电子技术》2013年第19期
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。
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，测试结果表明，该天线的阻抗带宽和3 dB轴比带宽分别达到40.38%和20.7%，中心频率为2.6 GHz，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
中图分类号： TN821⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）19⁃0077⁃03
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：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；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；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，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，图2中[L]为贴片尺寸；[h1]为辐射层高度；[εr1]为辐射层介电常数；[Wa]为缝隙宽度；[La]为缝隙长度；[Ls]为匹配枝节长度；[d0]为两相对馈电点的距离；[w]为微带线宽度；[h2]为微带线层高度；[εr2]为微带线层介电常数。
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，文献[10]中Pozar对这种馈电方式介绍了一种一般的方法，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。
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见表1。
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%。
方向图的测量结果如图6所示，由于采取了屏蔽壳体，后向辐射得以减少。
图7，图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。
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25 dB，实现了低后瓣和宽带圆极化天线的设计。
参考文献
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