基于左手材料的圆极化贴片天线设计

圆极化贴片天线的研究与设计作者：吴蔓蔓来源：《科学与财富》2019年第02期摘要：微带贴片天线体积小、重量轻、馈电方式灵活、成本低、易于与目标共形等优点而深受人们亲睐，在雷达、移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统（GPS）等领域得到广泛的应用。

同时，圆极化作为微带天线理论和技术应用的一个重要分支，被广泛的运用，由于其极化特性，使得收发天线间有很强的角度位置定位灵活性，并且能减小信号的多路径干扰等影响。

本文在研究微带天线的现状和原理的基础上，设计了一个工作频段在902-928MHz的M 型探针馈电的圆极化微带天线，其主要设计指标：中心频率915MHz，增益8dB，波束宽度90°，前后比大于13dB，驻波比小于1.4，输入阻抗50欧姆。

设计期间，利用Ansoft HFSS软件创建了一个M型探针馈电的圆极化微带天线模型，通过仿真，其增益、前后比、波束宽度、驻波比等主要性能参数达到了预期指标。

本文还介绍了微带天线的馈电方式以及天线圆极化的原理及实现方法。

关键词：微带贴片天线；M型探针馈电；圆极化；HFSS仿真1.微带天线的研究背景与意义微带天线的发展正方兴未艾，应用前景非常广阔。

由于应用的需要，微带天线在许多方面还将得到进一步的发展，如天线介质材料的更新，天线的多极化技术，分形技术，光子带隙技术以及计算机辅助设计技术和计算机辅助制造技术等。

随着技术的发展以及人们对微带天线的深入研究和探讨，微带天线将会得到更为广泛的应用。

2.微带天线的介绍微带天线由一块厚度远小于波长的介质板（称为介质基片）和覆盖在它两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板的一片称为接地板，而尺寸可以和波长相比拟的另一片称为辐射源，辐射源的形状可以是方形、矩形、圆形和椭圆形等等。

微带天线主要的特点有：体积小，质量轻，低剖面，因此容易做到与高速飞行器共形，且电性能多样化（如双频微带天线、圆极化天线等），尤其是容易和有源器件、微波电路集成为统一组件，因而适合大规模生产。

复合左右手圆极化漏波天线的实现郭远明摘要：一个基于基片集成的复合左右手介质波导的圆极化的漏波天线在这里被研究了，在这个天线上一系列的交趾电容被引入到了回路中，它们是通过在波导的表面蚀刻一些细缝，以达到复合左右手的功能。

两个对称的漏播传输线被平行的放置在一起，他们有着正交的极化方向，并且激励源的相位相差90度，以此来产生单一圆极化模式的波，这个天线的主波束方向可以通过改变频率来进行连续的控制，并且在主波束的辐射方向保持一个较低的前后比（低于3dB)，这个天线的辐射特性已经经过仿真和实际测量证实，他们与理论值有很好的吻合性。

关键词：圆极化复合左右手漏波天线介质完整波导1，简介标准和周期性结构的传输线型的漏波天线已经被深入的研究和广泛的应用，他们有着较宽的电压驻波比，频率扫描特性和尖锐的波束性。

传统的漏波天线由于其扫描范围的限制，特别是他不能进行侧向扫描。

最近，由于复合左右手材料在其左手区域支持后向波束传播，而被广泛的关注。

因为符合左右手漏波天线能够提供连续的从侧向到轴向的扫描的能力，所以他被当做一种满意的辐射结构，各种基于不同理论的天线结构已经被提出和应用，它们大多数是产生一种能够进行频率扫描的线极化波，然而人们希望在信息传播中能够通过圆极化波改善接收信号的质量，而在主波束的扫描过程中如何保持单一的圆极化波对我们来说是一个挑战。

在这篇文章中，提出了一个基于基片集成波导技术的复合左右手圆极化的漏波天线。

基片集成波导提供的了一些好的性能，比如低剖面，低成本，高品质因数，很好的兼容性，在文献[3],[4]中，讨论了两个基于完整介质波导的漏波天线，前者是复合左右手类型的，后者是传统类型的。

文章中的天线结构是两个对称放置在一起的基于完整波导的复合左右手漏波天线，它们的金属表面上刻有倾斜45度的手指状的插槽，这些细缝起着一系列电容的作用，与波导本身固有的电感为后向波束的传播提供必要的条件，一个半功率的方向耦合器也被设计用来给这个天线馈电，通过两个等幅相位相差九十度的激励源，给正交极化的行波结构馈电，就得到了圆极化波。

左手材料在天线中的应用研究进展摘要：首先从理论上解释了左手材料用于天线设计时实现天线高指向性、高效率、小型化以及大的扫描范围的原因，然后重点介绍了基于金属谐振结构和复合左/右手传输线(CRLH TL)结构的左手材料用于天线设计时的研究进展，显示了金属谐振结构在提高天线方向性、增大天线增益、减小天线体积等方面具有很大优势，而CRLH TL 结构在提高天线带宽、增加天线频带、增大漏波天线扫描范围等方面具有潜在应用价值。

关键词：左手材料；天线；金属谐振结构；复合左/右手传输线结构0 引言左手材料(Left-Handed Material ，LHM)又被称为双负介质，它是一类在一定的频率下同时具有负磁导率和负介电常数的新型人工电磁结构材料。

1968年，前苏联物理学家Veselago[1]首次从理论上研究了电磁波在介电常数和磁导率同时为负的物质中传播的奇异特性，如负折射率等。

20世纪90年代，英国物理学家Pendry 等人相继提出了用周期性金属棒结构（Rod ）[2]和金属谐振环结构（SRR ）[3]分别来实现负介电常数和负磁导率的设想，为左手材料的实现提供了基础。

依据Pendry 的设计思想，2000年Smith 等人[4]把以上两种结构有规律地排列在一起，首次制出了在微波段同时具有负介电常数和负磁导率的材料。

而Pendry [5]关于双负介质平板可以放大或恢复倏逝波来实现完美聚焦成像的建议为左手材料的研究起到了进一步的推动作用。

2002年，美国加州大学的Itoh 教授[6]提出了一种新的设计左手材料的方法—左手传输线，它是用串联交指电容来实现的。

几乎同时加拿大多伦多大学的Eleftheriades 教授[7]提出了周期加载串联电容和并联电感组成的平面一维左手传输线结构。

2004年，Itoh 等人[8]又提出了复合左/右手传输线（CRLH TL ）概念，这开创了一个全新的研究领域，复合左/右手传输线是最有可能首先得到应用的左手材料。

上海电力学院本科毕业设计（论文）题目：柔性圆极化1.5GHz微带贴片天线的设计院系：电子与信息工程学院专业年级：通信工程专业学生姓名：学号：指导教师：2014年6月3日柔性圆极化1.5GHz微带贴片天线的设计摘要微带天线具有体积小，重量轻，低剖面，制造成本低，易于批量生产，易于和微带线路集成等特点，能得到单方向的宽瓣方向图，易于实现双频段、双极化等多功能工作。

这些优点使得微带天线在大约100MHz～100GHz宽广频域上，广泛应用于包括卫星通信、雷达、遥感、制导武器以及便携式无线电设备。

论文首先回顾了微带天线的发展史，介绍了它的结构、优缺点及应用，然后给出了微带天线的几种分析方法，包括传输线法，空腔模型法，积分方程法等，并介绍了微带天线圆极化的原理和实现方法以及微带天线的馈电方式。

然后在ANSOFT HFSS中创建了一个单馈圆极化微带天线和切角圆极化微带天线，分析了S11和VSWR参数，画出了方向图。

为了实现圆极化，进行了轴比的优化仿真，达到了较为理想的结果。

关键词：圆极化，回波损耗，切角，轴比，方向图1.5GHZ FLEXIBLE CIRCULARLY POLARIZEDMICROSTRIP PATCH ANTENNA DESIGNABSTRACTThe microstrip antennas has the volume to be small, the weight is light, the low section plane, the production cost is low, easy volume production, easy and characteristics and so on microstrip line integration, can obtain the single direction wide petal directional diagram, easy to realize, the double polarization dual range and so on multi-purpose work. These merits cause the microstrip antennas in approximately the 100MHz-100GHz broad frequency range, widely applies in include the satellite communication, the radar, the remote sensing, the guided weapon as well as the protable wireless apparatus.The paper first reviewed microstrip antennas's history, introduced its structure, the good and bad points and the application, then have given microstrip antennas's several analysis method, including the transmission long-base method, the cavity modeling, the integral equation law and so on, and introduced the microstrip antennas circular polarization's principle and realizes the method as well as microstrip antennas's feed method. Then AnSoft Hfss in the creation of a single-fed circular polarization microstrip antenna and cut-angle circular polarization microstrip antenna and double-fed circular polarization microstrip antenna, the analysis of the S11 and VSWR parameters, to draw a pattern. In order to achieve circular polarization, the axis carried on the optimization simulation, to a more satisfactory results.Key words:circularly polarized, return loss, corner cut, axial ratio, pattern目录1 绪论 (1)1.1 微带天线的发展 (1)1.2 微带天线的结构 (1)1.3 微带天线的特点 (2)1.4 微带天线的应用 (2)2 天线的性能参数 (4)2.1 方向图 (4)2.2 辐射强度 (5)2.3 方向性系数 (5)2.4 效率 (5)2.5 增益 (6)2.6 输入阻抗 (6)2.7 天线的极化 (6)2.8 频带宽度 (7)3 微带天线的原理 (8)3.1 微带天线的辐射机理 (8)3.2 微带天线的馈电方式 (9)3.3 微带天线的分析方法 (10)3.3.1 传输线模型法 (10)3.3.2 空腔模型法 (13)3.3.3 积分模型法 (13)3.4 圆极化微带天线的实现原理 (14)4 单点馈电圆极化微带天线设计 (18)4.1 Ansoft HFSS软件的介绍 (18)4.2 微带辐射贴片尺寸估算 (18)4.3 单点馈电圆极化微带天线设计 (19)4.3.1 天线的技术要求 (19)4.3.2 天线的尺寸计算 (19)4.3.3 天线的设计过程 (19)4.3.4 天线的优化 (22)4.3.5 查看优化后的天线性能 (24)4.3.6左旋圆极化与右旋圆极化的区别 (27)4.4 单点馈电fleece编织物介质基板圆极化微带天线设计 (29)4.4.1 天线的尺寸计算 (29)4.4.2 优化后的仿真结果 (30)4.5 各参数对天线性能的影响 (31)4.5.1 贴片长度L c对天线性能的影响 (31)4.5.2 馈电点位置L1对天线性能的影响 (32)4.5.3 介质基板厚度H对天线性能的影响 (33)5 切角圆极化微带天线设计 (35)5.1 切角圆极化微带天线设计 (35)5.1.1 天线的技术要求 (35)5.1.2 切角圆极化微带天线的尺寸 (35)5.1.3 优化后的天线性能 (36)5.2 切角fleece编织物介质基板圆极化微带天线设计 (38)5.2.1 优化后的天线尺寸 (38)5.2.2 优化后的仿真结果 (39)5.3 实验小结 (41)6 结论 (41)谢辞 (42)参考文献 (43)1绪论随着天线作为无线电通讯的发射和接收设备，直接影响着电波信号的质量。

一种新的基于左手材料的小型化RFID微带天线设计
李光福;金杰;刘青爽;孟庆斌
【期刊名称】《南开大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2013(046)003
【摘要】为满足射频识别(RFID)阅读器小型化的要求,提出一种新的基于左手材料的小型化微带贴片天线.贴片天线采用圆环结构,将地板开槽,形成左手材料特性的Ω型结构,对天线的特性参数进行仿真计算,仿真结果表明天线具有较好的回波损耗特性,尺寸比普通矩形贴片天线减小了90％,方向性也符合RFID技术对天线的要求,且该贴片天线结构简单,易于实现.
【总页数】4页(P89-92)
【作者】李光福;金杰;刘青爽;孟庆斌
【作者单位】天津大学电子信息工程学院,天津300072;天津大学电子信息工程学院,天津300072;天津大学电子信息工程学院,天津300072;天津大学电子信息工程学院,天津300072
【正文语种】中文
【中图分类】TN82
【相关文献】
1.基于左手材料的小型化差分微带天线 [J], 韩丽萍;赵亚娟;曲美君
2.一种应用于WLAN的左手材料微带天线设计 [J], 汪仲清;李宝;彭丽丹;欧芝香
3.一种基于LTE的新型小型化加载开槽微带贴片天线设计 [J], 张梅;刘基姣;冯立波
4.基于左手材料的微带天线小型化设计 [J], 孙烨;赵文美;刘硕;程永霞
5.新型小型化双频RFID微带天线设计 [J], 南敬昌;吴炜圣
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