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[5]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:
西安电子科技大学出版社,1991.
作者简介:
曹宜森,男,硕士,主要研究领域为天线技术。
一种用于海事卫星通信的微带阵列天线的设计
廖学介1杨宏春2
(电子科技大学应用物理研究所,成都610054)
摘要:
结合经验公式和仿真软件,设计出了一种用于海事卫星通信系统的圆极化微带阵列天线。
天线采用双层结构,介质基片选择泡沫材料,并采用正方形切角的方式实现圆极化。
利用高频电磁仿真软件AnsoftHFSS对该阵列天线进行了仿真优化。
仿真结果表明,该天线具有良好的宽频带特性,天线在整个海事卫星通信工作频带内驻波比小于1.5,同时天线的最大增益达到13.5dB。
关键词:
微带阵列天线,层叠贴片,圆极化,驻波比
Designofmicrostriparrayantennaformaritimesatellitecommunication
LiaoXuejie1YangHongchun2
(InstituteofAppliedPhysics,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu610054)
Abstract:
Acircularlypolarizedmicrostriparrayantennaformaritimesateltecommunicationwasdesignedbycombiningtheexperimentalformulaeandthesimulationsoftware.Adual-layerstructurewasproposed,andthefoamwaschosenasthemediumsubstrate,theantennaiscircularly-polarizedbycorner-truncatedsquarepatch.TheAntennadesignedwassimulatedandoptimizedbyHFSS.Thesimulationresultsshowthatthisantennahasgoodwidebandcharacteristic.TheimpedancebandwithforVSWR<1.5inthewholeINMARSAT(InternationalMaritimeSatelliteOrganization)communicationworkbands,andthemaximalgain13.5dBisalsoachieved.
Keywords:
Microstriparrayantenna;Stackedpatch;Circularpolarization;VSWR
1引言
BGAN是宽带全球局域网(BroadbandGlobalAreaNetwork)的英文缩写,是国际海事卫星组织(Inmarsat)提供的第四代全球移动卫星通信系统。
该系统的接收和发送频率分别为1525~1559MHz和1626.5~1660.5MHz。
为了收发共用一个天线,候选天线的工作频率应为1525.0~1660.5MHz,其百分比带宽为8.5%。
海事卫星通信天线采用微带天线的结构是一种合理的选择。
这是由于微带天线具有地剖面、体积小、重量轻,并且较易实现圆极化和多频段工作等优点。
然而常规的微带天线带宽较窄,无法满足这种要求。
展宽带宽的方法很多,基本方法是降低微带基板材料的相对介点常数,增大微带基板的厚度,从而降低谐振Q值,其他的方法还有附加寄生贴片和采用双层、多层结构[3],电容耦合馈电技术[4],缝隙耦合馈电技术[5],天线阵技术[6]等。
目前海事卫星移动终端天线主要采用微带功分网络对各阵元等功率馈电。
由于使用微波介质材料的成本较使用泡沫材料的成本高,为了克服这个缺点,本文设计了一种低成本、易加工并且符合BGAN业务要求的宽频带微带阵列天线。
该天线采用双层正方形微带贴片天线的形式拓宽天线的阻抗带宽,采用切角的方式实现圆极化特性。
2天线的结构和初步设计
设计的单元天线结构如图1所示。
上下两层贴片同心层叠放置。
下层贴片作为激励单元,是边长为li、三角形切角直角边长为Ci的正方形,其谐振
频率较低。
下层贴片作为寄生单元,是边长为J三角形切角直角边长为C2的正方形,谐振频率较高。
激励单元与地面之间是厚度为介电常数为i的
介质。
两贴片单元之间是厚度d2、介电常数为2的
介质。
适当选择li、I?
、&、C2、di、d?
、;.:
1、t:
2等参数可调整这两个频率,使其适当接近,从而形成频带适应展宽的双峰谐振电路。
上下两层介质均选用低介电常数泡沫材料支撑并组成天线阵以展宽带宽和提高增益。
图1天线单元结构示意图
双层微带天线阵的结构十分复杂,要得到精确的分析结果,必须用严格的全波分析法进行分析。
然而在实际的工程中,往往利用一些经典公式[1,2]初
步确定天线的尺寸,获得单元天线设计的起点。
设激励单元和寄生单元的谐振频率分别为fi和f2,贴片
形状为正方形,则有
(1)
--0.264
UL=0.412ad?
——萄-0.258土+08
dei
(3)
de2
de1=d1
de2=4d2
其中,c为自由空间中的光速,i=1,2。
根据上述公式,选择介质基板的厚度和介电常数,便可以确定单元贴片的大小。
然后利用全波分析软件AnsoftHFSS,对天线阵进行仿真得到工程需要的参数要求。
最后单元天线的设计参数如下:
h=86mm,b=76mm,C1=19mm,C2=17mm,d1=d2=6mm,
1=;2=1.05
微带天线单元的增益一般只有6~8dB。
为了获
得更大的增益,或为了实现特定的方向性,常采用由微带辐射元组成的微带阵列天线。
所以,这里采用4个单元天线来组成2乘以2的平面阵,设计的天线阵和功分网络示意图如图2所示。
根据经验⑺,
阵元间距为半个波长时,增益特性比较好。
但是天线单元之间互耦严重,可能影响阻抗匹配。
单元间距大一些,可以减少互耦对天线阵性能的影响。
天线采用并联等功率馈电,馈电网络和下层贴片位于同一层。
馈线的长度和宽度的初始值由ADS仿真软
件中的传输线计算工具算出。
然后在HFSS软件中优化得到最后结果。
CaJ天线阵
ifliLZ.'.
⑹功分网图
图2天线阵和馈电功分网络示意图
4fl
30
图4天线在1609MHz的增益方向性仿真结果
3天线阵的仿真结果
图5天线在1609MHz的轴比仿真结果
4结论
图3天线回波损耗仿真结果
天线阵的仿真结果如图3~5所示。
图3是天线
回波损耗Sii仿真结果,在整个工作频带内,回波损耗大于10dB,最低点出现在1609MHz,与设计的中心频率1590MHz接近。
由于设计的双峰频率接近,频带展宽后使得仿真结果呈现单峰。
中心频率处的增益方向性如图4所示,天线具有较好的主瓣方向性,副瓣电平和后瓣电平都比较低,天线阵增益为13.5dBi。
图5为中心频率处的轴比仿真结果,从图中可以看到天线在B角从-60度到+60度的范围内轴比小于6dB,在工程上可以认为是圆极化的工作方式。
设计了一种应用于BGAN通信系统下的地面移动终端天线,天线在整个海事卫星通信工作频带内有较好的特性,驻波比小于1.5,增益高于13dB。
该平面阵列天线具有成本低廉,加工简单,适合大批量生产制作等优点,其结构很容易与载体的表面融为一体。
例如,可贴在建筑物的外表面上,和船舶、车辆、飞机等交通工具的外壳上。
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作者简介:
廖学介,男,硕士生,主要研究领域为电磁场与微波技术。
杨宏春,男,副教授、硕士生导师,主要研究领域为电磁场与微波技术等。
分形圆极化双频微带天线
林澍1,2韩雪2李文军2杨彩田2邱景辉2王进祥3
(哈尔滨工业大学电子科学与技术博士后科研流动站,哈尔滨150080)1;(哈尔滨工业大学电子与信息工程学
院,哈尔滨150080)2;(哈尔滨工业大学微电子科学与技术系,哈尔滨150080)3
摘要:
研究了一种单馈点右旋圆极化双频微带天线。
通过双层贴片实现双频,微带贴片采用Crown方形分
形结构,通过激励起两个相互正交的简并模实现圆极化。
采用CSTMWS?
软件进行仿真,结果表明在微带贴片的对角线临近区域用探针馈电,可以实现圆极化辐射。
用FR4材料做介质基片制作了天线实物并进行测试,该双频天线在1.616GHz和2.49GHz两个频点处,阻抗带宽(VSWR<2)为2.4%,6dB轴比带宽为2%,增益0dB以上,实验结果与仿真结果基本吻合。
关键词:
微带天线,圆极化,分形,双频
AFractalCircular-PolarizationandDual-FrequencyMicrostripAntennaLinShu1,2HanXue2LiWenJun2YangCaiTian2QiuJingHui2WangJinxiang3(ElectronicScienceandTechnologypost-doctoralresearchcenter,HarbinInstituteofTechnology,Harbin,150080,12China);(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin,150080,China;)3
(DepartmentofMicroelectronicsScienceandTechnology,HarbinInstituteofTechnology,Harbin,150080,China)Abstract:
Arightcircular-polarizationanddual-frequencymicrostripantennawithsinglefeedingpointispresented.Double-patchisusedtoachievedual-frequency.ThemicrostrippatchhasCrownfractalstructurewhichgeneratestwoorthogonalmodestor