双极化微带缝隙方形贴片天线

一种非辐射边馈电的宽带双层微带贴片天线详细教程讲解1 引言由于微带天线具有低截面、轻重量、易加工等特点，这类天线在军事和民用领域的应用范围越来越广。

特别是近年来SAR（合成孔径雷达）技术的快速发展，人们对微带天线提出了越来越高的要求，希望在一个天线上能同时获得宽频带、大扫描角、高效率、低交叉极化的性能，并且具有馈电简单、易与馈电系统集成等多方面的优点。

微带贴片天线的馈电方式有多种，这其中以微带线共面馈电在结构形式上最为简单，同时组阵时易于实现与馈电网络的集成设计，应用较广。

微带馈电的矩形微带贴片天线自报道以来成为应用最为广泛的微带单元形式之一。

但此种矩形微带天线采用单层形式，带宽很窄（通常《3%），且馈电位置仅限于辐射边。

随后，国内外的科技工作者对各类矩形微带天线作了大量的研究。

为展宽工作带宽，介绍了一种辐射边馈电的双层微带贴片天线，其下层贴片为馈电元，上层导体贴片为寄生元，两层中间为低介电常数的介质层，该结构利用双谐振来展宽工作频带，此天线的最大工作带宽可达10%左右。

而则率先介绍了一种非辐射边共面馈电的单层矩形贴片天线，当该单元用于微带共面馈电阵列天线设计时可缩短馈电线的长度，简化馈电网络的设计，故其可用作高效微带阵列天线的设计，但其与普通单层矩形微带天线一样带宽较窄。

最近，专利提供了一种针对辐射边馈电双层矩形微带天线的交叉极化抑制技术，其方法是在上、下辐射贴片上同时开4个或4个以上缝隙，缝隙的取向与天线极化方向一致，通过抑制交叉极化的模式电流达到抑制天线单元交叉极化的目的。

将上述多种技术相结合，本文介绍了一种非辐射边馈电的新型双层微带贴片天线，并对该天线的性能特点及其在阵列中的应用情况进行了研究。

2 单元结构及仿真测试结果天线单元的结构组成如图1，为实现宽带工作采用与普通双层微带贴片天线相同的结构形式，整个天线主要由馈电微带板层、泡沫层、寄生微带板层及接地结构板四部分组成。

其中馈电微带板上蚀刻有馈电贴片与馈电微带线，寄生微带板上蚀刻有寄生贴片，为对寄生贴片起保护作用，图中寄生元贴片采用倒置结构。

高隔离度宽带双极化微带天线设计张健丰;李平辉;朱彤【摘要】双极化天线由于具有极化分离的优异性能，在无线通信系统中引起了广泛关注，因此本文设计了一个高隔离度宽带双极化微带缝隙天线．为了获得高隔离度特性，该天线采用两个不同结构的微带线馈电，分别激励起垂直极化和水平极化模式．同时在地板上开缝隙来展宽天线带宽和实现天线的小型化．仿真优化结果表明，该天线端口1和端口2的阻抗带宽分别为51％和62％，在1.71 GHz ～2.69 GHz 整个工作频带范围内两端口之间的隔离度高于40dB，且结构简单，适用于移动通信的实际应用中．%Dual-polarized antennas have aroused much attention in wireless communication systems due to the excel-lent performance of polarization diversity.Therefore,a broadband dual-polarized microstrip slot antenna with high port isola-tion is proposed.Two feeder lines of different structures are employed to excite the horizontal and vertical polarization modes and obtain high portisolation.Furthermore,the broadband and miniaturization characteristics of the antenna are achieved by etching slots on the ground plane.The simulation results indicate that the bandwidth of port 1 and port 2 are 5 1%and 62%respectively,and the port isolation is higher than 40 dB from 1.71GHz to 2.69GHz.It has a simple structure and is suitable for practical applications of mobile communications.【期刊名称】《电子学报》【年(卷),期】2016(044)004【总页数】5页(P775-779)【关键词】双极化;高隔离度;宽带;缝隙天线【作者】张健丰;李平辉;朱彤【作者单位】解放军理工大学通信工程学院，江苏南京210007;解放军理工大学通信工程学院，江苏南京210007;解放军理工大学通信工程学院，江苏南京210007【正文语种】中文【中图分类】TN82在通信技术快速发展的今天，通信系统对设备提出了越来越多的要求，在提高信道容量的同时还要求展宽设备的带宽，以及实现小型化.天线作为通信系统中的一种收发装置，其性能也受到了人们的关注.双极化天线由于具有很强的抗干扰性、能实现极化分离和提高信道的容量而引起了更多学者的青睐［1～3］，它的这些优异性能决定了其在移动通信中具有广阔的应用前景.因此，设计宽频带、高隔离度、小型化、结构简单的双极化天线受到了广泛关注.近年来，人们提出了各种各样的双极化微带天线，如文献［1］设计了一个宽带高隔离度双极化微带天线，通过引入短路针来提高端口隔离度，达到了38dB，其相对带宽为21.5%.但该天线由于采用了同轴馈电和短路针加载技术，使得该天线结构不够紧凑.因此，为了能同时在一个天线上实现宽频带、高隔离度和低剖面的性能，人们提出了一些新型天线，如文献［2］和［4］所设计的天线.实际上，随着天线技术发展，学者们提出了各种各样的技术来提高天线的性能.通过短路的针加载［1］、缝隙耦合［5］、不同的馈电结构［6］和空气桥［7，8］等技术来提高端口间的隔离度；采用阻抗匹配网络、缝隙耦合［9］、多层介质基片［10］以及降低品质因数Q（即增大介质基板厚度或减小其介电常数）等手段来展宽天线带宽；引进高阻抗表面（High Impedance Surface，HIS）［11，12］、纯电抗表面（Reactive Impedance Surface，RIS）［13］、超材料［14］、分形结构［15］和表面开槽等方法来对天线进行小型化.为了能够达到上述提到的天线性能，本文在文献［3］中提出的天线结构基础上，设计了一个性能更好的双极化微带缝隙天线.通过采用不同的馈电结构来提高天线两端口的隔离度，经过仔细调整其馈电位置，两端口的隔离度可以达到35dB.在地板上增加缝隙来展宽天线带宽、实现小型化和调节端口匹配.该天线与文献［3］中的天线相比，隔离度更高、带宽更宽、尺寸更小，小型化的同时也提高了天线性能. 本文提出的双馈双极化微带缝隙天线的几何结构如图1所示.该天线的整体尺寸为105×105×1.6mm3，采用的介质基板为FR4，其厚度为1.6mm，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.002.天线的上表面是两个不同结构的微带馈电线，并放置在相互对立的位置，下表面是地板，同时在地板的正中间开了一个正八边形缝隙，在它的两个角上开了两个大小不同的矩形缝隙，其中窄矩形缝隙用编号⑦表示，另外为了减小天线尺寸和展宽其工作带宽，还开了6个形状大小完全相同的十字形缝隙，分别用编号①～⑥表示，缝隙①③⑤和②④⑥分别一一对应并关于y轴对称，十字形缝隙由两个相互垂直的窄矩形缝隙组成.缝隙①③⑤⑦的中心位置用坐标表示分别为（d1，d2）（dx，0）（d1，-d2）（0，dy），其他结构的位置和尺寸如图中参数所示.本文采用电磁仿真软件Ansoft HFSS 13.0对设计的天线进行仿真优化，其性能达到最佳时的尺寸如表1所示.众所周知，正八边形是圆形的近似，而一个圆形缝隙可以支撑着两个相互垂直的退化的TE11模式［3］.因此，一个正八边形缝隙同样可以支撑着垂直极化模式和水平极化模式，如图2（a）和2（b）所示，图2展示的是天线工作在2.2GHz时正八边形缝隙里的电场分布情况.当从端口1馈电，端口2接50Ω匹配负载时，电场沿x轴方向分布，该天线辐射水平极化波；相反，当从端口2馈电，端口1接50Ω匹配负载时，电场主要沿 y轴方向分布，该天线辐射垂直极化波.3.1 隔离度为了提高天线两端口间的隔离度，本文采用了两个不同结构的微带馈电线，即端口1的曲折微带线和端口2的阶梯状微带线，并将其放置在相互对立的位置，正如图1所示.在决定采用该馈电结构之前，讨论了其他两种馈电方式，即两个端口的馈电线均为曲折（或阶梯状）微带线，并置于相互垂直的位置.从仿真结果可以看出，后两种馈电结构隔离度比本天线采用的馈电结构隔离度差了约25dB，由于本天线采用的阶梯状馈电线和曲折馈电线相互正交，后者通过缝隙耦合能适当的抑制高次模，而且两馈电线放置在对立的位置上，远离彼此，产生的电场相互垂直，彼此间的干扰较小，因此能大大提高两个端口间的隔离度.所以本文采用了如图1所示的馈电结构.3.2 小型化和宽频带天线的小型化是指其工作在相同频带范围内天线结构尺寸变小，或天线结构不变的情况下可以工作在更低的频带范围内.出于对成本及加工制作难度的考虑，最简单有效的方法就是在地板上开缝隙，通过延长电流在地板表面流过的路径来降低其谐振频率，从而达到小型化目的.因此，最初的方法就是在地板上增加十字形缝隙①②⑤⑥，采用该方法前后两端口的S参数仿真结果如图3（a）所示.从图中可以看出，增加缝隙①②⑤⑥之后，两端口的谐振频率都明显降低，因此该方法可以有效的对天线进行小型化，但在-10dB阻抗带宽范围内其性能并不优异.又通过开缝隙的方法使天线在工作频率附近增加谐振点，从而扩展天线的带宽.所以尝试增加了缝隙③和④，其仿真结果仍如图3（a）所示，可以发现此时有两个非常明显的谐振点，有利于展宽天线带宽.因此，在该天线原有结构的基础上增加十字形缝隙不但有利于减小天线尺寸，还可以在一定范围内改善天线性能.3.3 阻抗匹配与增益通过以上讨论，将天线表面尺寸减小为105× 105mm2，然后进行优化设计使两个端口分别匹配，并实现宽频带性能.由于天线的高隔离度性能，两端口之间影响较小，因此在调节匹配时可以分别进行.端口1的带宽主要受到矩形缝隙大小和馈电位置a的影响，因此主要通过调节参数l2、w2和a的大小来实现匹配；端口2的匹配问题主要通过调节阶梯状微带线尺寸以及缝隙⑦来解决.在确定采用窄矩形缝隙⑦之前也进行了一系列讨论，最初的方法是将缝隙⑦设定为同样的十字形缝隙，从仿真结果可以看出，虽然能够在宽频带范围内实现匹配，但是从端口2馈电时天线的增益较小，因此，将十字形缝隙改为了窄矩形缝隙⑦.分别采用十字形缝隙和窄矩形缝隙时天线增益仿真结果如图3（b）所示，从图中可以发现，采用窄矩形缝隙时天线增益明显优于采用十字形缝隙时的增益，这是因为窄矩形缝隙不但能很好的调节2端口的匹配，使更多的能量用于天线的辐射，而且窄矩形缝隙与十字形缝隙相比，前者相当于增大了地板表面积，可以使更多的能量反射到天线的最大辐射方向上，从而提高天线的增益.根据仿真优化得到的天线最优尺寸，加工制作了天线实物，如图4所示.利用Agilent N5230C矢量网络分析仪测试天线的S参数特性，测试与仿真结果如图5（a）所示.从图中可以看出，仿真结果和测试结果有些许差异，这是由于测量误差、电缆损耗以及加工精度不够高引起的，但曲线变化趋势和谐振点的位置还是比较吻合.也可以从图中观察到：端口1和端口2小于-10dB的测试阻抗带宽分别为1120MHz（1.67～2.79GHz，51%）和1180MHz（1.63～2.81GHz，54%），两个端口的带宽都能覆盖LTE的工作带宽1.71～2.69GHz；在整个工作频带内（1.71～2.69GHz），两端口之间的仿真隔离度接近40dB，测试结果仍高于35dB.从天线的S参数特性可以发现，其性能和文献［1］和［16］中提出的天线性能类似，但是本文提出的天线在获得高隔离度的同时，结构更简单、剖面更低、尺寸更小.和文献［3］中设计的天线相比，本文设计的天线尺寸更小，减小了51%；两个端口的共同带宽更宽，展宽了5%；隔离度更高，高出2dB.天线的仿真及测试增益如图5（b）所示，在1.71～2.69GHz频带范围内，两端口的增益均高于3.1dB，其最大增益约为5.1dB.图6分别给出了天线在1.8GHz，2.0GHz，2.5GHz处各端口E面和H面实测及仿真辐射方向图.当测试某一端口时，另一端口接50Ω匹配负载.从图中可以看出，天线在E面始终呈“8”字形辐射，说明天线在E面辐射性能较稳定；从端口1馈电时，H面的辐射性能随着工作频率升高而逐渐恶化；从端口2馈电时，H面近似于全向辐射，类似于偶极子天线.天线的交叉极化随着频率升高会轻微恶化，但是在最大辐射方向上交叉极化电平在整个工作频段内均低于-20dB，天线辐射性能较好.本文设计了一个宽带高隔离度低剖面双极化微带缝隙天线.利用不同的馈电结构来提高天线隔离度，同时采用开槽技术来展宽天线带宽、减小天线尺寸和调节匹配.测试结果表明，该天线两个端口的阻抗带宽分别为 1120MHz（1.67～2.79GHz，51%）和 1180MHz （1.63～2.81GHz，54%），两端口之间的隔离度在整个工作频段范围内高于35dB，主瓣交叉极化电平低于-20dB.该天线性能优异，体积较小，结构简单，便于加工制作，适用于移动通信的实际应用中.张健丰男，1990年9月生于重庆万州.现为解放军理工大学通信工程学院硕士研究生.主要研究方向为天线技术和微波毫米波技术.E-mail：***************李平辉男，1966年1月生于福建福州.现为解放军理工大学副教授、硕士生导师.主要研究方向为微波电路设计、天线技术及电磁场数值计算.E-mail：***************【相关文献】［1］Li B，Yin Y Z，Hu W，et al.Wideband dual-polarized patch antenna with low cross polarization and high isolation［J］. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2012，11：427-430.［2］Li Y，Zhang Z，Feng Z，et al.Dual-mode loop antenna with simple compact feed for polarization diversity［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2011，10：95 -98.［3］Jiang X，Zhang Z，Li Y，et al.A wideband dual-polarized slot antenna［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2013，12：1010-1013.［4］Li Y，Zhang Z，Chen W，et al.A dual-polarization slot antenna using a compact CPW feeding structure［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2010，9：191 -194.［5］Hsu S H，Ren Y J，Chang K.A dual-polarized planar-array antenna for S-band andX-band airborne applications［J］. IEEE Antennas and Propagation Magazine，2009，51（4）：70 -78.［6］Guo Y X，Luk K M，Lee K F.Broadband dual polarization patch element for cellular-phone base stations［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2002，50（2）：251-253.［7］Barba M.A high-isolation，wideband and dual-linear polarization patch antenna ［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008，56（5）：1472-1476. ［8］Mak K M，Hang W，Luk K M.A shorted bowtie patch antenna with a cross dipole for dual polarization［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2007，6：126 -129.［9］Wong K L，Tung H C，Chiou T W.Broadband dual-polarization aperture-coupled patch antennas with modified HShaped coupling slots［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2002，50（2）：188-191.［10］Serra A A，Nepa P，Manara G，et al.A wide-band dualpolarization stacked patch antenna［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2007，6：141-143. ［11］Guclu C，Sloan J，Pan S，et al.Direct use of the high impedance surface as anantenna without dipole on top［J］. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2011，10：1536-1539.［12］Vallecchi A，Luis J R，Capolino F，et al.Low profile fully planar folded dipole antenna on a high impedance surface ［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2012，60（1）：51-62.［13］Agarwal K，Nasimuddin，Alphones A.RIS-based compact circularly polarized microstrip antennas［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013，61（2）：547 -554.［14］Dong Y，Toyao H，Itoh T.Design and characterization of miniaturized patch antennas loaded with complementary split-ring resonators［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2012，60（2）：772-785.［15］Chen W L，Wang G M，and Zhang C X.Small-size microstrip patch antennas combining Koch and Sierpinski fractal-shapes［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2008，7：738-741.［16］Cui Y H，Li R L，Fu H Z.A broadband dual-polarized planar antenna for 2G/3G/LTE base stations［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，62（9）：4836-4840.。

非辐射缝隙：f
第5章 缝隙天线与微带天线
三、 缝隙天线阵（Slot Arrays）
为了加强缝隙天线的方向性，可以在波导上按一定的规律开 出一系列尺寸相同的缝隙，构成波导缝隙阵。
1. 谐振式缝隙阵
特点：波导上所有缝隙都得到同相激励，最大辐射方向与天线轴 垂直，为边射阵，波导终端采用短路活塞。
缺点：波导波长λg大于自由空间波长，缝隙阵会出现栅瓣，同时
振子辐射场的极化方
f ( ) cos(kl cos ) cos kl
向相互正交，其它特
sin
H面 性完全相同。
第5章 缝隙天线与微带天线
半 波 缝 隙 天H面线 方的 向 图 z
y
x＜ 0
x＞ 0
(a)电力线；
(b)磁力线
二、 第缝5章隙天缝线隙天线与微带天线
最基本的缝隙天线是由开在矩形波导壁上的半波谐振缝隙构成的。
成非谐振式缝隙阵。
由传输线理论可知，图a相邻缝隙的相位依次落后
2 g
d
对于图 (b)的缝隙天线阵，相邻缝隙除行波的波程差
2 g
d
之外，
还有附加的180°相移，所以相邻缝隙之间的相位差将沿行波方向
依次落后
。 2 d g
第5章 缝隙天线与微带天线
非谐振缝隙天线阵的特点： 1、最大辐射方向偏离阵法线的角度为：
是曲面形状。
(a)
(b)
(a)圆突—矩形波导缝隙天线；(b)扇面波导缝隙天线 工程上波导缝隙天线阵的方向系数的估算公式:
D 3.2N
第5章 缝隙天线与微带天线
第二节 微带天线
微带天线(Microstrip Antennas)：
由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线。 优点： 1、体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形； 2、制造成本低，易于批量生产；天线的散射截面较小； 3、能得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方向； 4、易于和微带线路集成； 5、易于实现线极化和圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能

置和取向就可以改变缝隙的激励强度，以获得所需要的方向 性。其缺点是频带比较窄。
§1.3 波导缝隙天线的方向特性和宽频带特性
▪ 为了增加缝隙天线的方向性，可在波导的 为了增加缝隙天线的方向性，可在波导的同一壁上按一定规律开多条尺寸相同的缝隙，构成波导缝隙天线阵。
（2）二者的主平面互换了位置，包含缝隙轴线的平面是H面，
缝隙天线和微带天线
§1.1 理想缝隙天线
▪ 缝隙天线就是在波导壁上开有缝隙，以用来辐射 或接收电磁波的天线。在研究实际的缝隙天线之
前，先讨论在无限大和无限薄的理想导电平板上 的缝隙——理想缝隙天线。理想缝隙天线的横向 尺寸远小于波长，纵向尺寸通常为λ/2。
z
z
z
2l
磁流 源
2l
2l O y
O~
y
~ 电 压 源
可在波导的一个壁上开多个缝隙组成天线阵。
4
7
z
a
8
56
9
x
辐射受没有开缝的其他三面波导壁的影响，因此是单 向辐射，其方向图如下：
在研究实际的缝隙天线之前，先讨论在无限大和无y 限薄的理想导电平板上的缝隙—z —理想缝隙天线。
单可缝在隙波天导线的的一方个向壁性上是开比多较个弱缝的隙，组为成了天提线高阵天。线这的种方天向线性阵，的 若一，因D缝馈如 缝3为为为非（ 因（若在（若馈若工为馈D缝3（为（若NN波波波是此隙电果隙了了了谐对此2波研2波电波程了电隙1了1波） ） ） ）导导导 非 ， 天 比 谐天 增 增 增 振 于， 导 究 导 比 导 上 增 比 天 增 导二二二二缝缝内谐根线较振 线加加加缝宽 垂内实内较内波加较线加内者者者者隙隙传振据就方式 就缝缝缝隙壁 直传际传方传导缝方就缝传的的的的天天播缝对是便缝 是隙隙隙天横 缝播的播便播缝隙便是隙播主主方方线线的隙偶在，隙 在天天天线缝 隙的缝的，的隙天，在天的，，平平向向的的是天原波其阵 波线线线阵） （是隙是其是天线其波线是NN面面相相为为方方驻线理导天中 导的的的与； 缝驻天驻天驻线的天导的驻互互同同阵阵向向波阵，壁线的 壁方方方谐隙波线波线波阵方线壁方波换 换 ， ，元元特特型的理上和缝上向向向振轴型之型和型的向和上向型了了方方((性性电波想开馈隙 开性性性式线电前电馈电方性馈开性电缝缝位位向向和和磁导缝有线都 有，，，缝磁，磁线磁向，线有，磁隙隙置置性性宽宽波终隙缝集是 缝可可可隙波先波集波性可集缝可波))的的，，函函频频，端天隙于匹 隙在在在天，讨，于，系在于隙在，个个包包数数带带并接线，一配 ，波波波线并论并一并数波一，波并数数含含都都特特使匹的以体缝 以导导导阵使在使体使可导体以导使。。缝缝是是性性各配方用。隙 用的的的有各无各。各用的。用的各隙隙：：缝负向来， 来同同同两缝限缝缝下同来同缝轴轴隙载性辐即 辐一一一点隙大隙隙式一辐一隙E线线得，函射不 射壁壁壁不得和得得近壁射壁得面的的到使数或在 或上上上同到无到到似上或上到平平同波与接波 接按按按：同限同同估按接按同面面相导同收导 收一一一一相薄相相算一收一相是是激处长电中 电定定定是激的激激：定电定激HH励于度磁产 磁规规规非励理励励规磁规励面面，行的波生 波律律律谐，想，，律波律，，，则波对的反 的开开开振则导则则开的开则x此状称天射 天多多多式此电此此多天多此种态振线， 线条条条缝种平种种条线条种缝，子。终 。尺尺尺隙缝板缝缝尺。尺缝隙缝的端 寸寸寸天隙上隙隙寸寸隙阵隙方短 相相相线阵的阵阵相相阵称由向路 同同同的称缝称称同同称为行性活 的的的相为隙为为的的为H面谐波函塞 缝缝缝邻谐谐谐缝缝谐—振激数也 隙隙隙谐振振振隙隙振—式励在换 ，，，振式式式，，式理天，成 构构构缝天天天构构天E想面线故匹 成成成隙线线线成成线缝和阵天配 波波波的阵阵阵波波阵隙H。线负 导导导间。。。导导。天面x阵 载缝 缝 缝 距 缝 缝线是能， 隙隙隙大隙隙。相在那 天天天于天天互较么 线线线线线交宽就 阵阵阵阵阵换（的构 。。。。。的对频成，于带了如宽内匹下壁保配图纵持缝所缝良隙示）好阵。或的。小匹于配 若波导馈内传电播的比是驻较波型方电磁便波，，并使其各缝天隙得线到同和相激馈励，线则此集种缝于隙阵一称为体谐振。式天适线阵当。 改变缝隙的位