超宽带平面单极子天线的分析和设计.doc

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超宽带平面单极子天线的分析和设计

孙永志李庭王伟光陈秋林王一笑赵旭

（中国航天科工集团8511研究所，南京210007）

摘要：

本文研究了一种应用于超宽频带的平面单极子天线。

用传输线理论的等效电路方法分析了展宽平面单极天线带宽的措施，即添加切角和短路枝节。

设计出了一种实用的超宽频带平面单极子天线，并对该天线进行了数值仿真。

计算的电压驻波比和辐射方向图与实测结果吻合良好。

关键词：

平面单极子天线，传输线理论，超宽带

AnalysisandDesignoftheUltraWideBandPlanarMonopoleAntenna

SunYongzhiLiTingWangWeiguangChenQiulinWangYixiaoZhaoXu

（No.8511ResearchInstituteofChinaAerospaceScienceIndustryCorpofChina,Nanjing210007）

Abstract:

Inthispaper,coordinatetransformationmethodwasusedtoanalyzetwo-dimensionalcylindricalelectromagneticinvisibilitycloaking.Andtheelectromagneticdispersionequationofelectromagneticinvisibilitycloakingwasgiven.Thecalculationresultsshowthattwo-dimensionalcylindricalelectromagneticinvisibilitycloaking.hasgoodscatteringCharacteristicsfortheelectromagneticwave.

Keywords:

Planarmonopoleantennas;Transmissionlinetheory;UltraWideBand

·11·

1引言

超宽带（UltraWideBand，缩写为UWB）是一种利用纳秒至微微秒级的非正弦窄脉冲传输数据的无载波通信技术，与传统通讯系统相比，所占用的频带宽度大大变宽。

FCC（美国联邦通信委员会）对UWB系统给出明确规范，规定3.1～10.6GHz为UWB系统占用频带，带内信号辐射功率密度低于-41.3dBm/MHz，并且要求带内反射系数S11小于-10dB[1]。

UWB系统不仅要求天线具有全向辐射特性，还要求天线在整个频带内有良好的阻抗匹配特性和较高的辐射效率，并且还要考虑移动通讯设备对天线尺寸的要求。

平面单极子天线及其变形，由于结构简单、制造成本低和频带宽等特性，已经成为近来UWB天线设计的研究热点。

本文主要讨论以平面单极子天线为基础的UWB天线的分析与设计。

定性分析了平面单极子天线的工作原理，讨论展宽天线阻抗带宽的措施。

在此基础上，设计出了一种实用的平面单极子天线，测量的驻波比和方向图与仿真结果非常吻合。

2平面单极子天线的基本原理

众所周知，直立细线单极子天线的阻抗带宽很窄。

现在有很多文献都在探索和研究展宽天线阻抗带宽的方法和技术，如在矩形平面单极子上添加切角和短路支节等[2]，如图1所示。

定性分析与展宽天线阻抗带宽有关的参数及其作用，平面单极子天线的电流主要集中在天线的底部和左右边缘两侧，并且水平方向上的电流密度远大于垂直方向上的电流密度[3]。

因此，我们不妨切除天线上几乎没有电流分布的区域，用U形或半圆形等来等效整个平面单极子。

基金项目：

国家高技术研究发展计划（2007AA7）；

图1带切角和短路支节平面单极子天线的结构

从传输线理论讲，切角可以等效为多段水平传输线，它们的特性阻抗随离开馈电的距离增加而增大。

此时，天线就可看成是不同特性阻抗传输线的级联，根据传输线的宽带匹配思想，经过适当设计切角可以展宽平面单极天线的阻抗频带。

在单极子的一侧（如右侧）添加短路支节，此时对应等效电路模型，该侧的负载阻抗为近似为0。

因此，短路支节构成另一谐振回路，如果设计合理，即可产生新的谐振频点，从而展宽天线带宽。

3UWB平面单极子天线的仿真和测试结果及其分析

依据等效电路原理的设计思路，考虑到制作的可实现性，经过多次分析和仿真发现只添加切角不可能达到设计要求，最后，增加电路枝节后，我们得到满足设计要求的模型天线尺寸如下：

地板尺寸为92mm×76mm，平面单极子高度h=38mm，宽度w=54mm，馈电间隙hgap=1mm，馈电平面宽度wgap=3mm，短路枝节宽度ws=1mm，切角角度α=90。

计算和测量电压驻波如图2所示。

图2电压驻波比测量与仿真结果比较

由图2可知在3.1-10.6GHz频带内，UWB天线满足VSWR<1.925即是满足S11<-10dB。

平面单极天线结构对称，H平面辐射方向图是全向的。

方向图在UWB3.1-10.6GHz带宽范围内H平面是全向性的。

E面方向图随着频率的升高，发生了畸变，这是由于测量仪器动态范围不够以及随着频率升高连接被测天线、参考天线与收发机的电缆衰减大大增加的缘故。

仿真与测量方向图如图3所示。

E面3.5GHzE面4.5GH

E面5.5GHzE面6.5GHz

H面3.5GHzH面4.5GHz

H面5.5GHzH面6.5GHz

图3E面和H面方向图的仿真与测量结果比较

4结论

平面单极子天线是UWB天线的研究热点之一。

本文研究了一种变形的矩形平面单极子天线，通过添加切角和短路枝节可以大大展宽其阻抗带宽，能够满足UWB天线的要求。

根据传输线等效电路模型，可以定性解释为增加切角和短路枝节展宽这种单极子天线的带宽。

设计的UWB平面单极子天线满足UWB天线的设计指标，仿真和实际测试的驻波比与辐射方向图结果吻合良好。

参考文献

[1] 林立峰.超宽带无线通信技术.中国数据通信，2005。

[2] 邹卫霞，周正等.超宽带无线通信技.电子质量，2004。

[3] 郭安波，陈惠民.平面单极天线的设计.无线电工程，2005。

[4] DanielValderas,JonLegarda,andIñigoGutiérrezet,DesignofUWBFolded-PlateMonopoleAntennasBasedonTLM,IEEETransactionsonAntennasandPropagation,2006.

作者简介：

孙永志，男，博士，主要研究领域为微波毫米波技术研究、天线设计、异向介质研究等。

双圆极化微带天线的设计

薛欣张福顺冯昕罡程喆宁舒曼

（西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，陕西西安710071）

摘要：

本文研究了小型化双圆极化微带天线的设计方法。

本文重点讨论了实现双圆极化、宽波束宽度微带叠层天线小型化的实现方法，并利用AnsoftHFSS软件进行仿真分析，在此基础上研制了样件，并对其电性能进行了测量，测量结果表明，此微带天线具有圆极化、宽波束宽度和小型化的特点。

关键词：

圆极化，宽波束宽度，小型化，微带天线

DesignofDual-Circularly-PolarizedmicrostripAntenna

XueXinZhangFushunFengXingangChenZheNingShuman

（NationalLaboratoryofAntennaandMicrowaveTechnology,XidianUniversity,Xi’anShanxi,710071,China）

Abstract:

Inthispaper,acompactdualcircularpolarizationmicrostrippatchantennaisstudied,Themethodtoachievestackedmicrostrippatchantennawithwidebeamwidth,dualcircularpolarizationandcompactsizehasbeendiscussed,itissimulatedandoptimizedbytheAnsoftHFSSsoftware,andaprototypehasbeenfabricatedandtested.Themeasuredresultsshowsthatthemicrostripantennaproposedinthispaperhasthecharacteristicofwidebeameidth,circularpolarization,andcompactsize.

Keywords:

smallsize;circularpolarzation;widebeamwidth;microstrippatchantenna

1引言

微带天线的优点是体积小、重量轻、低剖面，其主要缺点是带宽很窄。

一般工程中要使微带圆极化天线兼顾双圆极化、宽波束宽度和小型化的特点具有一定难度，本文在此工程背景上进行研究，思路是使天线能同时工作在两个离散的频率点，产生不同旋向的圆极化特性[1]。

一般由于圆极化天线带宽很窄，加工时，尺寸稍有误差，便使得圆极化特性变差。

本文采用双馈点馈电，增加天线的对称结构，改善了圆极化特性，最终利用经验公式和仿真软件，设计了工作在两个不同频率点，不同旋向的圆极化天线，并采用高介电常数的介质板来减小天线尺寸，和展宽波束宽度[2，3]。

2微带天线的设计

天线的设计要求为天线要求安装在边长为48mm，四周倒圆角的方形底座上，分别工作在L波段和S波段，其电压驻波比VSWR≤2，轴比AxialRatio≤2dB。

工作频率L波段时产生左旋圆极化波，工作频率S波段时产生右旋圆极化波。

本文的采用多层重叠的微带天线来实现双频双圆极化特性，这样的优点是便于工程实现和加工。

为了减小天线的尺寸和展宽辐射波束宽度，采用介电常数为9.8的陶瓷介质，厚度为2mm，工作频率在S波段的在上层，工作频率在L波段的在下层。

这样高频天线工作的时候下层的天线充当了地板；当低频天线工作时，高频天线因为尺寸小，也减小了对低频天线的影响。

同时改变天线的形状，以改善波束宽度范围内的圆极化特性。

如图1所示。

圆极化方式采用双馈电点，两个馈电端口所辐射的和模，在贴片辐射方向形成两个正交分量，相差π/2，选择适当的激励频率，可以使两个模式同时被激励，从而得到一个圆极化辐射场，选择适当的相差，使得上层辐射右旋圆极化场，下层辐射左旋圆极化场。

（a）俯视图

（b）侧视图

图1天线结构

2.1贴片的设计

设计贴片时,先根据正方形贴片天线的经典公式设计天线单元其初边长L。

（1）

（2）

根据式

（1）式

（2）计算出天线的初始尺寸，采用高介电常数介质，以减小天线尺寸和展宽波束宽度，增加天线的对称结构，以改善圆极化特性，再利用仿真软件，优化天线的尺寸[4，5]。

2.2馈电网络的设计

馈电网络采用双馈点馈电，如图2所示，高频功分器和低频功分