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1、一种新型双频双圆极化微带天线讲解一种新型双频双圆极化微带天线曹宜森 1,2 卢春兰 1 彭 川 1解放军理工大学通信工程学院，南京210007）1（解放军 93975 部队）摘 要： 本文给出了一种新型双频反向圆极化微带天线的设计。该天线采用贴片层叠结构和单点馈电。仿真 和测试结果表明，该天线在工作频段内具有良好的输入特性和辐射特性，并且具有较好的广角圆极化性能。 关键词： 双频，双圆极化，单点馈电A Novel Dual-Band And Dual Circular Polarization Microstrip AntennaCao Yisen1， 2 Lu Chun Lan1 Peng

2、Chuan1(ICE，PLAUST Nanjing 210007 ，China)1；(No.93975 unit of PLA )2Abstract: This paper presents a novel design of a dual frequencies and dual circular polarization microstrip antenna. Multi-layer structure and single feed are employed. Simulated computed by Ansoft HFSS10.0 and measured results indic

3、ated that the antenna has a good performance of return losses, radiation pattern and wide-range circular polarization.Key words: Dual Frequencies; Dual Circular Polarization; single feed1 引言近年来，微带天线由于具有尺寸小，成本低， 易实现圆极化等优点在卫星通信系统中得到了广泛 的应用。在卫星通信系统中，一般要求天线能实现 双频工作，并具有良好的圆极化性能。目前，已研 制出多种天线形式，在实现双频工作的同时，

4、保证 具有良好的圆极化性能，特别是应用于 GPS 手持终 端的天线，已经有了很多的研究。但是，在实现天 线双频反向圆极化的性能中，大部分天线采用双点 馈电，并且用功分移相器来实现天线的双频反向圆 极化性能， 如文献 14 ，这种设计方式无疑增加了 天线的复杂程度，提高了天线的制作成本。而单点 馈电圆极化微带天线无需功分器、移相器等正交馈 电网络，用作相控阵天线单元时，其复杂的馈电网 格可以得到有效简化，虽然现在对于单馈点的双频 同向圆极化的微带天线有一些研究，但对于单馈点 双频反向圆极化的微带天线却很少见到相关的文献。本文基于上述背景，提出了一种采用单点馈电 实现双频反向圆极化的双频微带天线形

5、式，利用层 叠贴片来实现双频工作，上层贴片采用探针直接馈 电，下层贴片通过电磁耦合馈电，利用在贴片上开 槽来实现天线的圆极化。整个天线结构简单，易于 加工制作，仿真和测量结果表明，该天线完全能应 用于卫星通信手持终端。2 天线设计天线的结构如图 1 所示。该天线由工作在两个 频段的方形微带贴片层叠起来 , 形成双频圆极化天 线。物理尺寸较小的微带贴片放在上层，物理尺寸 较大的微带天线放在下层。探针通过下层贴片上的 钻孔连接到上层贴片上，下层贴片是上层贴片的寄 生单元，通过上层贴片电磁耦合馈电。上层贴片辐 射较高频率，下层贴片辐射较低频率，上层的贴片辐射时，下层贴片作为它的接地面；下层贴片辐射

6、时，上层贴片作为电感性耦合元件，天线的等效原 理图如图2所示，f2分别为两个贴片的谐振频率。 天线上下介质均采用介电常数 ；=3.5，损耗角正切tan厂-0.001的F4B-2材料，上层介质和下层介质的 厚度分别为hi，h2。图1天线结构图单点馈电的圆极化微带天线利用简并分离元微扰技术，在普通圆形微带天线的基础上 ，加入微扰形成简并分离，适当调节微扰量，使天线产生两个正 交极化波的简并模，其中一个模电压的相位比另一 个模的模电压超前 90，这样在远场区就形成了圆 极化。本文采用在方形贴片上开槽的方式来实现圆 极化辐射，其中，在下层贴片上沿 x轴方向开槽，如图1( a)所示，以实现在低频工作时的

7、右旋圆极 化辐射；在上层贴片上沿 y轴方向开槽，如图1 (b) 所示，以实现天线在高频工作时左旋圆极化辐射。 天线采用50Q的铜轴线来馈电，馈电点位置在正方 形贴片的对角线上。采用基于有限元法的商业软件 An soft HFSS10.0对该 设计进行仿真，得到了一些有用的仿真结果。通过 大量的仿真发现，天线在低频端的谐振频率主要取 决于L1，在咼频端的谐振频率取决于参数 L2，天线的驻波比随L1, L2的变化关系如图3,图4所示。L1=42mmL1=44niinLl=Wnin101.SL2=42mmL2=46mmJ J1 . f J JI3天线驻波比随L1变化曲线30101 1.2 14 1

8、& 1.6图4天线驻波比随L2变化曲线天线在低频端的轴比主要取决于 Ls1和馈电点的位置，在高频段的轴比主要取决于 Ls2和馈电点的 位置。经过优化设计，天线的具体参数如表 1。表1天线结构基本参数L/mm56.8L2/mm45.4Ls/mm5.2Ls/mm6Ws/mm2Ws/mm2Ex/mm11.6LRmm80Ey/mm11.6h/mm3h2/mm2.7图2天线等效原理图由于天线的参数比较多，在确定初步设计时， 可以利用文献5中对于单片方形圆极化贴片天线设 计公式计算天线各参数的初步值，得到初步值之后，3结果与分析在上述的分析下设计并加工了工作于f1 =1.26GHz , f2 =1.61G

9、Hz两个频段的天线，工作于f1 =1.26GHz时为右旋圆极化，工作于f2 =1.61GHz时为左旋圆极化。采用HFSS 10.0进行仿真，并加工了实物，如图 5所示。对实物天线进 行了测试，得到该天线工作于f1、f2时的驻波比如图 6所示，由图可知，天线在1. 26 1. 27Hz ,1.61 L 1.625GHz两个频段内驻波比皆小于 2;图5天线实物图Simulation Measured频率(GHz)(b) f 1=1615. 69MHz阿 斗2.2.SimulBtion Measured2 22.i611.265 1.27 1.275频率(GHz)图7天线的仿真和实测轴比曲线采用HF

10、SS10.0仿真，天线在两个频段上的增益 如图8所示。由图可以看出，该天线在低频段的增 益大于2.5dB，在高频端的增益大于 5dB，这说明天 线具有较高的辐射效率，但是，天线在高低两个频 段的增益相差较大，这是由于在高频段，天线采用 的是由探针直接馈电，故增益较高，而在高频段， 天线采用的是电磁耦合馈电，故增益较低。(b)高频段 1.61 - .625GHz1.牟umuIRtn -Measured1.6 1.605 1.E1 1.&15 1.E2 1.625频率(GHz)b) f 2=1.61 GHz图6天线的仿真和实测驻波曲线天线的轴比仿真和实测曲线如图 7所示，在1.26L 1275GH

11、z，1.61 L 1.62GHz 内，天线的轴比皆小 于3dB;具有良好的圆极化性能。 但是，实测曲线和 仿真曲线有一点偏差，这主要是由于加工误差和实 测误差而引起的。SimulBlion Mbssu 阳 d图8天线的增益仿真曲线频率(GHz)(a) f1=1.26GHz天线在两个谐振频段上的方向图仿真结果如图9所示、实测结果如图10所示。从仿真和实测的方 向图可以看出，天线的波束很宽，具有良好的广角 性能，因此能适用于卫星定位系统手持终端的系统 要求。-2D-2M -100 D 100Theta (des) 4 (h)八=I引5一繃MlIz图10天线的实测方向图Df1=1 2&GHz, Ph

12、i=O-1W Q 100 2WTheta (deg)(b) f|=l6l5.6aMllzn Phi=OP+ 90IM I-WI图9天线的仿真方向图4结论本文采用层叠结构和单点馈电的方法设计了一 种双频反向圆极化的微带天线，该天线在 1.26L 1.275GHz频段内辐射右旋圆极化波，在 1. 61 1. 6GHZ频段内辐射左旋圆极化波， 且具有良好的广角圆极化性能。与传统的双频反向圆极化天 线相比，该天线采用单点馈电，大大简化了天线结 构，降低了制作成本。因此，这种天线具有良好的 实用性和应用前景。a) f=l268.52MHz参考文献1kai-Ping Yang and Kin-Lu Won

13、g,Dual-band Circularly-Polarized Square Microstrip Antenna. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2001,49(3): 3773822David M.Pozar and Sean M.Duffy, A Dual-Band Circularly Polarized Aperture-Coupied Stacked Microstrip Antenna for Global Positioning Satelite. IEEE Transactions on Antennas and

14、 Propagation, 1997, 45(11): 16181625.3Croq F, Papiernik A. Wideband aperture coupled microstrip antenna. Electron Lett , 1990,26(16) :1293 12944史清 李杨 王家勇 梁旭文，双频双圆极化带天线实验设计。微波学报， 2004, 20 (4), 9092。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

15、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 Ansoft HFSS 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Design of microstrip array antenna for maritime satellite communicationLiao

16、 Xuejie1 Yang Hongchun2(Institute of Applied Physics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054)Abstract: A circularly polarized microstrip array antenna for maritime satelte communication was designed by combining the experimental formulae and the simulation software.

17、 A dual-layer structure was proposed, and the foam was chosen as the medium substrate, the antenna is circularly-polarized by corner-truncated square patch. The Antenna designed was simulated and optimized by HFSS. The simulation results show that this antenna has good wideband characteristic. The i

18、mpedance bandwith for VSWR1.5 in the whole INMARSAT(International Maritime Satellite Organization) communication work bands, and the maximal gain 13.5dB is also achieved.Key words: Microstrip array antenna; Stacked patch; Circular polarization; VSWR1 引言BGAN 是宽带全球局域网 (Broadband Global Area Network) 的

19、英文缩写，是国际海事卫星组织 (Inm arsat)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 15251559MHz 和 1626.51660.5MHz 。为了收发共用一个天线，候选 天线的工作频率应为 1525.01660.5MHz ，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

20、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

21、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

22、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)-0.264UL=0.412ad? 萄-0.258 土 +0 8dei(3)de2de1 = d1de2 = 4 d2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An soft HFSS，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 68dB。为了获得更大的增益，或为了实

23、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 ，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.功分网图图2天线阵和馈电功分网络示意图4fl30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

24、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 35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

25、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。参考文献1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,1991.2薛睿峰，钟顺时微带天线圆极化技术概述与进展J.电波科学学报，2002,17(4):331-336.3LIU Z F, KOOIPS, LI L W, et al. A method for designing broad-band mic

26、ro-strip antennas in multilyaered plannar structures.IEEE Trans on Antennas and Propagation, 1999, 47(9): 1416-1420.4Kin-Lu Wong and Tzung-Wern Chiou Broad-band single-patch circularly polarized micro- strip antenna with dual capacitively coupled feedsJ. IEEE Trans. on Antennas and Propa-gation 2001

27、, 49(1): 41-44.5STEPHEN D. Design of wideband circularly polarized apertune-coupled microstrip antennaJ. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1993, 41(2):214-220.6L E Garcia-Castillo, J Grajal de la Fuente, G G Gentili, et al. Receiving stacked patch array antenna for satellite mobile comm

28、unications in L-bandC. IEEE Electrotechnical Confe-rence,1996:1389-1392.7邰佑诚 , 栾秀珍 , 金珍等 . 天线与电波传播 M. 大连海事大学出版社 . 2002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；

29、（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 CST MWS? 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 （VSWR2） 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A

30、 Fractal Circular-Polarization and Dual-Frequency Microstrip Antenna Lin Shu1,2 Han Xue2 Li Wen Jun2 Yang Cai Tian2 Qiu Jing Hui2 Wang Jinxiang3 (Electronic Science and Technology post-doctoral research center, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150080, 12 China) ； (School of Electronics and In

31、formation Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150080, China；) 3(Department of Microelectronics Science and Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150080, China) Abstract: A right circular-polarization and dual-frequency microstrip antenna with single feeding point is presented. Double-patch is used to achieve dual-frequency. The microstrip patch has Crown fractal structure which generates two orthogonal modes to r