双圆极化微带天线的设计图文精.docx

1、双圆极化微带天线的设计图文精双圆极化微带天线的设计-图文(精)第25卷第2期2010年4月电波科学学报CHINESE JoURNAL oF RADIo SCIENCEV01.25,No.2April,2010文章编号10050388(201002一039305双圆极化微带天线的设计薛欣张福顺冯昕罡冯睿(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摘要研究了小型化双圆极化微带天线的设计方法。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,并利用仿真软件进行仿真分析,在此基础上研制了样件,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

2、型化的特点。关键词圆极化;宽波束宽度;小型化;微带天线中图分类号TN821+.1文献标志码A1.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,在此工程背景上进行了研究,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。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。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喝。2.微带

3、天线的设计天线的设计要求为天线安装在边长为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VSwR2,轴比Axial Ratio2dB。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。采用多层重叠的微带天线实现双频双圆极化特性,该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波段的上层,工作频率在L波段的下层。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,减小了对低频天线的影响。同时收稿日期:2009一0524联系人:薛欣E-mail:xux

4、windy 改变天线的形状,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TM们和TM。模,在贴片辐射方向形成两个正交分量,相差,c/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。(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。394电波科学学报第25卷L一0.5Ag一2L(1.:I。一毛(2Ag一而i皑根据式(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

5、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7剖。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器分开工作,其功分器部分采用Wilkinson功分器,移相器采用普通微带传输线。利用微带传输线移相的特性,使功分器终端得到两个等幅,相位相差丌/2的电场。图2功分器结构3.仿真及实验结果3.1仿真分析对图l所示天线结构和图2所示功分器,利用AnSoft HFss软件进行仿真优化设计,具体尺寸为1天线大小L5126.8mm,Ls218mm;2介质板介电常数一9.8;3介质板尺寸Lm一48rnm,厚度H2一H12nn。利用以上尺寸,建立模型仿真结果如图3图4所示

6、,图3为天线的电压驻波比系数(VSWR,图4为天线辐射方向图,其中。度方向为天线辐射面法线方向。由图3、图4可以看出天线的两个工作频率VSWR2、最大辐射方向轴比Axial Ratio2dB, 一1.616GHz时3dB波瓣宽度为115。,= 2.49l GHz时3dB波瓣宽度为120。一lO一20一30相一40奢一30一2010O1.O1.21.4I.61.82.O邝IIz(a=1.616GHz2.O2.22.42.62.83.O伪IIz(b,o一2.49lGHz图3天线电压驻波比系数。圜觞憾鬻酮、秽(a=1.616GHz 慈一狲袋褰蠼黟z泳。p50180(b,o=2.491GHz图4天线仿

7、真归一化方向图2O864222lIll嚣甜o珊:专:枷渤亏:珊 o第2期薜欣等:双圆极化微带天线的设计3953.2实验结果根据天线的设计和仿真尺寸,加工出小型化微带天线的实物样件,样件尺寸为48mm48mm,并对样件进行了电测量,图5为双频双圆极化微带天线的实物样件和使用HP8753D矢量网络分析仪测量天线的电压驻波系数(VSWR的测试结果。 糕馁丑鲻谢(a天线样件1.o1.21.41.61.82.O/舱Hz(b=1.616GHz2.O2.22.42.62.83.O粥IIz(c,o=2.49l GHz图5实测天线电压驻波比系数由图5可以看出天线在工作频率1.616GHz时,其电压驻波比为1.3

8、。工作频率为2.491GHz时,其电压驻波比为1.6,满足了设计要求。在微波暗室远区条件下,采用自制的天线远场自动测量系统在一1.616GHz和一2.491GHz时,对该天线的辐射方向图进行了实测,测试结果如图6和表1所示,其中。度方向为天线辐射面法线方向【9。罩槲舞OlO一20是一30翱奢一30一2010裕、./N滤蕊溺憋义数./180(a=1.616GHz藕裁溪剿甜24d。j/j270(b,o=2.491GHz 图6天线实测方向图表1天线3dB轴比波束宽度数据表图6的电测试结果和表1表明,天线在两个工作频率点,在很宽的波束宽度范围内有很好的圆极化特性。4.结论研究了小型化双频双圆极化微带天

9、线的设计方法,通过采用叠层天线的设计思路使天线工作在两个离散的频率点产生不同极化的圆极化波,并通过65432I凝豫越鲻斟396电波科学学报第25卷使用高介电常数减少天线尺寸和展宽波束宽度,增加天线对称结构改善圆极化特性,然后根据Ansoft HFSS软件仿真优化出的结构尺寸,加工了天线样件,样件尺寸为48删m48删m,其电测的结果也满足了设计指标的要求,该天线已经用于工程实际,有很高的实用推广价值。参考文献1丁克乾,李连辉,张凤林.双频圆极化微带天线J.遥测遥控,2004,25(5:79.DING Keqian,LI Lianhui,ZHANG Fengli仉DualBand Circular

10、ly Polarized Microst啷AntennaJ.Telemetry&Telecontrol,2004,25(5l79.(in Chinese2刘玉杰.小型化圆极化收发天线设计J.遥测遥控,2004,25(5:5255.LIU Yujie.Design of Novel Circularly PolarizedTransmitting/Receiving AntennaJ.Telemetry&Telecontrol,2004,25(5:5255.(in Chinese3张福顺,商远波,张涛,等.高增益低副瓣圆极化微带天线阵的研制J.电波科学学报,2008,23(3:572575.ZH

11、ANG Fushun,SHANG Yuanbo,ZHANG Tao,eta1.A circular-polarization microstrip array with high-gain and low-sidelobeJ.Chinese jourl of Radio Science,2008,23(3:572575.(in Chinese4胡明春,杜小辉,李建新.宽带宽角圆极化微带贴片天线设计J.电波科学学报,2001,16(4:441446.HU Mingchun,DU Xiaohui.U Jian妇n.Design ofbroadbarld and wideangle circuIar

12、ly polarized microstrip patch anten眦sJ.Chi北se Jour他l of Radio ScierIce,2001,16(4:441446.(in Chinese5SIM C Y D,HAN T Y.GPS antenna design withslotted ground planeJ.microwa、re and optical technology Ietters,2008,50(3:818821.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(4t331336.XUE Ruifeng ZHONG Shunshi.Sunr

13、ey andprogres8 in circular polarization technology of microstrip anten一越s.Chi耻se Jour衄l of Radio Science,2002,17(4:331336.(in Chinese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.美David M.Pozar.微波工程M.北京:电子工业出版社,2007.张福顺.张进民.天线测量M.西安:西安电子科技大学出版社。1995.作者简介薛欣(1985一,男,陕西人,西安电子科技大学电磁场与微波技术专业硕士生,主要研究方向为微带天线与天线小型化。张福

14、顺(1960一,男,陕西人,西安电子科技大学教授,博士导师,博士。主要研究方向为天线理论与工程及测量,发表学术论文150余篇,其中,70余篇被EI收录,出版了专著天线工程手册和天线测量,编写了天线近场测量误差分析与系统。冯昕罡(1984一,男,陕西人,西安电子科技大学电磁场与微波技术专业硕士生,主要研究方向为阵列微带天线。邸口眵 p 双圆极化微带天线的设计 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 被引用次数： 薛欣， 张福顺， 冯昕罡， 冯睿， XUE Xin， ZHANG Fu-shun， FENG Xin-gang， FENG Rui 西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实

15、验室,陕西西安,710071 电波科学学报 CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCE 2010,25(2 1次 参考文献(9条 1.丁克乾;李连辉;张凤林 双频圆极化微带天线期刊论文-遥测遥控 2004(05 2.刘玉杰 小型化圆极化收发天线设计期刊论文-遥测遥控 2004(05 3.张福顺;商远波;张涛 高增益低副瓣圆极化微带天线阵的研制期刊论文-电波科学学报 2008(03 4.胡明春;杜小辉;李建新 宽带宽角圆极化微带贴片天线设计期刊论文-电波科学学报 2001(04 5.SIM C Y D;HAN T Y GPS antenna design with slot

16、ted ground plane外文期刊 2008(03 6.薛睿峰;钟顺时 微带天线圆极化技术概述与进展期刊论文-电波科学学报 2002(04 7.钟顺时 微带天线理论与应用 1991 8.David M.Pozar 微波工程 2007 9.张福顺;张进民 天线测量 1995 引证文献(1条 1.刘宗全.钱祖平.韩振平.倪为民 一种新型弹载共形多极化天线的设计与实现期刊论文-弹箭与制导学报 2012(3 引用本文格式：薛欣.张福顺.冯昕罡.冯睿.XUE Xin.ZHANG Fu-shun.FENG Xin-gang.FENG Rui 双圆极化微带天线 的设计期刊论文-电波科学学报 2010(2