高增益宽带圆极化微带天线阵研究

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宽带圆极化微带天线分析与设计

宽带圆极化微带天线分析与设计一、本文概述本文旨在深入探讨宽带圆极化微带天线的分析与设计。

随着无线通信技术的飞速发展，天线作为无线通信系统的关键组成部分，其性能直接影响到整个系统的传输质量和效率。

宽带圆极化微带天线作为一种重要的天线类型，具有宽频带、圆极化、低剖面、易集成等优点，因此在卫星通信、移动通信、雷达系统等领域具有广泛的应用前景。

本文将首先介绍宽带圆极化微带天线的基本原理和特性，包括其辐射机制、极化特性、带宽特性等。

随后，将详细分析宽带圆极化微带天线的设计方法，包括天线尺寸的选择、馈电方式的设计、介质基板的选取等。

在此基础上，将探讨影响天线性能的关键因素，如阻抗匹配、交叉极化、增益等，并提出相应的优化策略。

本文还将通过具体的案例分析，展示宽带圆极化微带天线在实际应用中的性能表现。

通过对比分析不同设计方案下的天线性能，为工程师和研究者在实际应用中提供有益的参考。

本文将总结宽带圆极化微带天线的设计与优化策略，并展望其未来的发展趋势和应用前景。

通过本文的研究，旨在为宽带圆极化微带天线的分析与设计提供理论支持和实践指导。

二、圆极化微带天线的基本原理圆极化微带天线是一种能够在空间中产生圆形极化波的天线，它具有独特的电磁辐射特性，广泛应用于无线通信、雷达探测和卫星通信等领域。

了解圆极化微带天线的基本原理对于其分析与设计至关重要。

圆极化波是一种电磁波，其电场矢量在空间中随时间旋转，形成一个圆形的轨迹。

圆极化微带天线通过特定的设计和构造，能够在其辐射区域内产生这样的圆形极化波。

这种波形的特性在于，无论接收天线的极化方式如何，圆极化波都能在一定程度上被接收，因此具有更好的抗干扰能力和更广泛的适用性。

圆极化微带天线的基本原理主要基于电磁场理论和天线辐射原理。

它通过在微带天线的辐射贴片上引入特定的相位差，使得天线的两个正交分量产生90度的相位差，从而形成圆极化波。

这种相位差可以通过在辐射贴片上刻蚀特定的槽口或引入附加的相位延迟线来实现。

高增益宽带圆极化Vivaldi天线阵的设计

高增益宽带圆极化Vivaldi天线阵的设计许唐红;张弘;王东;朱海涛;兰敏【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2013(025)003【摘要】提出了一种由新型Vivaldi天线单元构成的2×2十字交叉圆极化天线阵.Vivaldi天线单元采用边缘渐变对拓的锯齿结构,提高了天线在4.7～7.0 GHz频带内的增益,其反射系数低于-10 dB的带宽为2.4～11.0 GHz,具有超宽带线极化特性.圆极化天线阵测量结果显示,在4.5～7.0 GHz频带范围内,其轴比均低于3 dB,且整个频带范围内增益达11～13 dBi.%A circularly polarized (CP) crossed antenna array with 2X2 elements based on a novel antipodal Vivaldi antenna is proposed. The Vivaldi antenna with tapering serrated structure at the edges, which is a ultra-wideband (UWB) linearly polarized antenna, has a high gain at 4. 7-7. 0 GHz, and a wide impedance bandwidth of 2. 4-11. 0 GHz when the reflection coefficient is smaller than -10 dB. The measured data of the antenna array show that the axial ratio is lower than 3 dB between 4. 5 GHz and 7. 0 GHz. A high antenna gain from 11 dBi to 13 dBi is also achieved at the whole bandwidth of the array. The proposed antenna element and array both own UWB and high-gain characteristics.【总页数】4页(P685-688)【作者】许唐红;张弘;王东;朱海涛;兰敏【作者单位】四川大学电子信息学院,成都610064;四川大学电子信息学院,成都610064;四川大学电子信息学院,成都610064;四川大学电子信息学院,成都610064;四川大学电子信息学院,成都610064【正文语种】中文【中图分类】TN82【相关文献】1.高增益低副瓣X波段宽带圆极化Vivaldi天线阵设计 [J], 吴文鹤;韦高;赵文奇;李文廷2.高增益宽带圆极化微带天线阵研究 [J], 黄迎春;张涛;张福顺3.基于单层线-圆极化转换聚焦超表面的宽带高增益圆极化天线设计 [J], 李唐景;梁建刚;李海鹏;牛雪彬;刘亚峤4.一种宽带高增益圆极化天线阵 [J], 石小林;黄迎春;孙全国5.基于人工电磁结构的宽带宽波束高增益圆极化微带天线阵 [J], 林家栋;柴晋飞;苏周;巫勇因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

2.4 GHz宽带圆极化微带天线的研究与实现

2.4 GHz宽带圆极化微带天线的研究与实现严冬;杜培勋;王平;陈俊宇;董腾【摘要】针对当前已有圆极化微带天线有效带宽窄、尺寸大等缺陷的现状,设计了一种应用于2.4 GHz无线传感网络的宽带圆极化微带天线.采用Ansoft HFSS建立了天线的模型,并对其主要结构参数进行了仿真分析,最终推导出了天线的最优结构参数.最优结构参数下的仿真结果显示,天线的-10 dB阻抗带宽达到了63.5％,3 dB 轴比(axial ratio,AR)带宽达到了17.5％.同时,采用矢量网络分析仪对天线实物进行了回波损耗测试,测试结果与仿真结果吻合.最后,将设计的天线加载到CY2420通信节点上进行通信性能的测试,测试结果表明:加载了该宽带圆极化微带天线的节点在150m处的平均丢包率为0.36％,且天线任意方向下的丢包率基本相同.从测试结果可以看出该天线具有良好的圆极化特性和实用特性.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2019(034)003【总页数】10页(P380-389)【关键词】宽带;圆极化微带天线;阻抗带宽;轴比(AR)带宽;丢包率【作者】严冬;杜培勋;王平;陈俊宇;董腾【作者单位】重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室,重庆400065;重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室,重庆400065;重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室,重庆400065;重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室,重庆400065;重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室,重庆400065【正文语种】中文【中图分类】TN820引言现如今通信技术的迅猛发展使得市场上的通信设备不断朝着高速、高容量的趋势发展,这也对设备中的天线提出更严格的要求,要求天线实现宽带化. 然而普遍的圆极化微带天线的缺点就是带宽窄. 关于实现圆极化微带天线的宽带化方式,主要包括采用多层结构、提高耦合度、共面波导馈电和临近耦合馈电等. 但是采用多层结构制作工艺复杂[1];提高耦合度方式虽然带宽得到了提升但是插入损耗也随之增加,降低了天线的辐射效率[2];共面波导馈电[3]导致天线面积太大.目前国内外关于临近耦合馈电的圆极化微带天线的宽带化研究中,有很多种结构和方法,如环形槽[4-5]临近耦合馈电、圆形槽[6-7]临近耦合馈电、正交H型缝隙[8-9]临近耦合馈电、利用馈电探针顶部的小圆盘[10]实现临近耦合馈电、采用两个L 探针[11]临近耦合馈电. 关于2.4 GHz的宽带圆极化微带天线的研究中,文献[12]设计的是一款新型的方环贴片天线,在方环贴片的四个角上加四个方环贴片,用于孔径耦合馈电,以在WLAN频带中产生圆极化辐射. 该天线的阻抗带宽为7.44%,轴比(axial ratio,AR)带宽为1.63%,天线面积为60×60 mm2. 天线虽然结构简单、尺寸较小,但是带宽较窄. 文献[13]设计的天线由一个折缝印刷馈电网络的方形贴片、一个接地板和一段半刚性同轴电缆组成,采用激励插槽模式和补丁模式实现宽带特性. 天线阻抗带宽为39%,AR带宽为21.8%,面积为80×80 mm2. 该天线结构相对简单,带宽较宽,但是尺寸偏大. 文献[14]设计的是一款利用单馈结构扩展带宽的圆极化微带天线. 该天线由水平金属条和方形截断贴片组成,用于展宽带宽. 水平金属条的一端通过探针连接到贴片,另一端连接SMA连接器,天线阻抗带宽为12.08%,AR带宽为6.6%,面积为34.9×34.9 mm2. 天线尺寸小巧,结构简单,但是带宽较窄.为了进一步提升圆极化微带天线的阻抗带宽和AR带宽,同时将天线小型化,本文设计了一款工作于2.4 GHz的临近耦合馈电的宽带圆极化微带天线. 本文主要采用的是临近耦合馈电的方式进行圆极化微带天线的宽带化设计,由于馈电结构和辐射结构不在一个平面,所以不存在表面波效应. 除此之外,这种馈电方式对于天线带宽的拓宽有很好的效果. 该天线采用不平衡馈电,结构更加简单. Ansoft HFSS仿真结果表明:该天线工作于2.4 GHz频段,阻抗带宽为63.5%,3 dB AR带宽达到了17.5%,同时天线的面积仅为41×41 mm2. 实现了提升带宽的同时将尺寸小型化的目标. 制作的天线实物加载到无线通信模块上进行测试,测试结果显示圆极化微带天线具有很好的工程应用能力,具有很高的实际应用价值.1 天线结构研究由于采用的是临近耦合馈电方式,所以天线总体由两部分构成:顶部辐射贴片部分和底部微带馈线部分. 天线设计思想如图1所示. 图1(a)为宽缝隙临近耦合馈电的圆极化微带天线最常用的方式之一,左边是顶部辐射片结构,右边是底部微带线馈线结构. 辐射贴片中缝隙对角处是两个90°的“L型”微扰条,用来激发两个振幅相同、相位差为90°的正交模以辐射圆极化波,底部微带馈线初始为一个基本的十字型馈电结构. 为了满足阻抗匹配的要求,需要设计天线的50 Ω微带阻抗线,如图1(b)微带馈线所示. 图1(b)结构满足圆极化微带天线的要求,但其馈电结构辐射能力不强,通过增加原十字型馈线竖向枝节的面积和改变横向枝节的相对距离来改善馈电能力,如图1(c)微带馈线所示. 图1(c)的天线结构由于微扰条辐射能力不足出现了AR频率与谐振频率偏移严重的情况,通过在顶部辐射贴片中间添加一个矩形微带条来改善天线的AR频率及带宽使得其与谐振频率处于同一频段,如图1(d)所示,因为馈线将能量耦合到此矩形微带条,增强了两个90°的“L型”微扰条的能量辐射能力.图1 天线设计思想Fig.1 Idea antenna design1.1 天线结构参数分析根据上述分析,本文提出的工作于2.4 GHz的宽带圆极化微带天线的结构如图2所示,图2(a)为天线的顶部辐射贴片图,图2(b)为天线的底部微带馈线图,图2(c)为天线侧视图.(a) 顶部辐射贴片(a) Top radiating patch(b) 底部微带馈线(b) Bottom microstrip feeder(c) 侧视图(c) Side view图2 天线结构图Fig.2 Antenna structure1.2 天线模型建立设计的宽带圆极化微带天线制作于介电常数为4.4、损耗角正切值为0.02的玻璃纤维环氧树脂(FR4)介质基板上.根据工作频率为f的微带天线辐射贴片宽度w物理公式(1),辐射单元长度L物理公式(2)及实际的仿真结果,设置天线的初始长度G为41 mm,缝隙长度L为35 mm.(1)(2)式中:c是光速; εr是基板介电常数;εe是有效介电常数,用式(3)计算;ΔL是等效辐射缝隙长度,用式(4)计算.(3)(4)为了实现微带天线的阻抗匹配,通常在天线馈线的下端设计50 Ω的阻抗匹配线,阻抗大小主要由微带阻抗线的宽度Wf决定. 阻抗线宽度Wf可以根据式(5)进行估算:(5)式中: h为基板厚度,取值0.8 mm; W为待求参数Wf;T是辐射贴片厚度,这里忽略不计;板介电常数εr=4.4; Z表示微带线阻抗,这里通常取50 Ω. 那么,可以计算得阻抗线宽度Wf约为1.495 mm. 因此图2中天线的主要结构参数设定初始值如表1所示,其中s1为“L型”微扰枝节宽度.表1 天线主要结构参数初始尺寸Tab.1 The initial size of the main structure parameters of the antenna结构参数GLWfL1s1 尺寸/mm41351.5101采用Ansoft HFSS对设计的天线根据图2进行建模,接着对天线的主要结构参数进行研究,以便根据分析结果进一步改进天线的设计.1.3 主要结构参数对天线性能的影响研究天线的谐振频率和阻抗带宽主要由天线尺寸大小G和缝隙大小L决定. 天线AR主要由宽缝隙对角线的两个90°的“L型”结构参数L1、L3、s1等决定. 接下来对以上提到的结构参数进行研究分析.1) 天线长度G对天线谐振频率的影响使其他参数值保持固定不变,通过HFSS仿真软件分析当G=39 mm、40 mm、41 mm、42 mm时天线的回波损耗S11,仿真结果如图3所示.图3 G对天线谐振频率的影响Fig.3 Effect of antenna length G on antenna resonance frequence由图3可知,当G由39 mm变化到42 mm时,该圆极化微带天线的阻抗S11≤-10 dB带宽逐渐增大. 随G的改变变化较明显的就是谐振频率点,当G=39 mm和40 mm时,天线的谐振点不明显,基本处于水平状态,表明在频率2.25 GHz至3 GHz 范围内谐振效果是基本相同的;当G再增加到41 mm和42 mm时,谐振效果明显增强,谐振点明显凸显,在G=41 mm处谐振点约为2.35 GHz,随着G的增加,第一个谐振点基本保持不变,第二个谐振点逐渐向高频移动.2) 宽缝隙长度L对天线性能的影响除L外的其他参数值不变,使用HFSS分析当宽缝隙长度L=33 mm、34 mm、35 mm、36 mm时天线的回波损耗S11,仿真结果如图4所示.图4 L对天线性能的影响Fig.4 Effect of crack length L on antenna performance由图4可知,宽缝隙的长度L与天线的谐振频率和阻抗带宽存在着线性关系,当L由33 mm增加到36 mm时,天线的第一个谐振频率向低频处移动,在L=35 mm和36 mm时出现第二个谐振频率,且第二个谐振点随着L的增加逐渐向高频移动. L 由33 mm增加到36 mm时天线的阻抗S11≤-10 dB带宽逐渐增大. 因此,可以得出天线的第一个谐振点随着参数L的增加而降低,第二个谐振点随着L的增加逐渐向高频移动,同时天线的阻抗带宽随着L的增加而增加.3) “L型”微扰条参数L1、L3对天线AR性能的影响天线中间正方形宽缝隙对角线两个“L型”微扰条是圆极化天线的简并分离单元,用来产生90°相位差,形成圆极化辐射. 所以这两个“L型”微扰条是用来产生圆极化波的关键,分析对角线上“L型”微扰条的参数对天线AR的影响十分关键.同样,不改变除L1、L3外的其他参数值,分析当L1=L3=8 mm、9 mm、10 mm、11 mm、12 mm时天线的AR,仿真结果如图5所示.图5 参数L1、L3对天线AR性能的影响Fig.5 Effect of parameters L1, L3 on antenna AR performance由图5可知,“L型”微扰条参数L1、L3影响着天线AR,当L1、L3由8 mm增加到10 mm时,天线的AR对应的谐振点依次降低,且在L1=L3=8 mm时,天线的AR 值≤3 dB带宽较小,AR性能较差;当L1、L3继续增加,由10 mm增加到12 mm时,天线的AR对应的谐振点依次增加,AR性能逐渐变差. 不难看出,参数L1、L3在9mm到10 mm之间时,该圆极化微带天线的AR性能最佳.4) “L型”微扰枝节宽度s1对天线AR性能的影响固定其他结构参数的值,分析当“L型”微扰枝节宽度s1=0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm时天线的AR,仿真结果如图6所示.图6 “L型”微扰枝节宽度s1对天线AR性能的影响Fig.6 Effect of the “L-shape” perturbation branch width s1 on the antenna AR performa nce由图6可知,“L型”微扰枝节宽度s1与天线的AR频率存在着线性关系,当s1由0.5 mm增加到2 mm时,天线的AR频率向低频移动,但天线的AR≤3 dB带宽基本不变. 因此,可以得出天线的AR频率随着参数s1的增加而降低,且s1对AR带宽影响不大.1.4 天线带宽优化从前面几个参数分析图中不难看出,天线的谐振频率与AR频率不在同一个频段,天线的谐振频率出现在2.4 GHz频段,而天线的AR频率出现在了3 GHz频段,这是由于天线的“L型”微扰条辐射能力不足. 采用在天线顶部的辐射贴片中间添加矩形微带条来对天线进行相关优化,馈线将能量耦合到此矩形微带条,增强了两个90°的“L型”微扰条的能量辐射能力,添加的结构参数为图2中的M3、M4. 下面对结构参数M3、M4进行参数扫描分析.1) 参数M3对天线AR性能的影响固定其他参数的值,分析当M3=1 mm、3 mm、5 mm、7 mm、9 mm时天线的AR,仿真结果如图7所示.图7 参数M3对天线AR性能的影响Fig.7 Effect of parameter M3 on antenna AR performance在辐射贴片中间添加了矩形微带条后,天线的AR频率由最初的3 GHz频段转移到了2.4 GHz频段. 由图7可知,参数M3由1mm增加到9 mm时,除了M3=9 mm时天线的AR性能较差外,其余值AR性能都比较接近且较理想.2) 参数M4对天线AR性能的影响固定其他参数的值,分析当M4=5 mm、7 mm、9 mm、11 mm、13 mm时天线的AR,仿真结果如图8所示.图8 参数M4对天线AR性能的影响Fig.8 Effect of parameter M4 on antenna AR performance由图8可知,参数M4由5 mm依次增加到13 mm时,天线的AR频率基本在2.4 GHz附近移动.对M3、M4这两个参数进行同时优化. 通过仿真软件HFSS优化分析功能优化参数M3和M4,在中心频率2.4 GHz上设置优化目标函数S11≤-10 dB,且AR≤3 dB. 设置变量M3优化范围为2～5 mm,变量M4优化范围为8～13 mm. 最终参数M3、M4的最优值为M3=3.2 mm,M4=10.1 mm.2 天线仿真结果根据上文对各结构参数的研究结果以及带宽优化结果,最终天线结构尺寸如表2所示.表2 天线最优结构参数Tab.2 Antenna optimum structure parameters结构参数GLWfL1s1M3M4 尺寸/mm41351.51013.210.1图 9为天线的回波损耗仿真图.从图中可以看出,此圆极化微带天线的中心频率为2.4 GHz,阻抗S11≤-10 dB的带宽覆盖了从2.05 GHz至3.9 GHz共1.85 GHz,其相对带宽约为63.5%.图9 天线回波损耗仿真图Fig.9 Antenna return loss simulation图10为天线的AR仿真结果.从图中可以看出,AR值≤3 dB的带宽覆盖了从2.1 GHz至2.6 GHz共500 MHz,其相对带宽约为17.5%,符合要求的AR带宽均在S11≤-10 dB覆盖的频带范围内.图10 天线的仿真ARFig.10 AR simulation the antenna图11为该天线在φ=0°,θ=0°方向上增益随频率变化的仿真结果.从图中可以看出,整个天线工作带宽2.1 GHz至2.6 GHz范围内,天线的增益均超过了2.5 dBi,其中在中心频率2.4 GHz时天线的增益达到最大,为3 dBi.图11 天线的仿真增益Fig.11 Simulation gain of the antenna图12为该天线在2.2 GHz、2.4 GHz和2.5 GHz三个频点处XOZ面(φ=0°)和YOZ面(φ=90°)的仿真远场方向图. 从图中可以看出,设计的天线在上半空间沿+Z 方向辐射左旋圆极化波,下半空间沿-Z方向辐射右旋圆极化波,且天线的主极化波瓣较宽,对称性较好,具有较好的圆极化辐射特性.(a) 2.2 GHz,XOZ面(a) 2.2 GHz,XOZ plane(b) 2.2 GHz,YOZ面(b) 2.2 GHz,YOZ plane(c) 2.4 GHz,XOZ面(c) 2.4 GHz,XOZ plane(d) 2.4 GHz,YOZ面(d) 2.4 GHz,YOZ plane(e) 2.5 GHz,XOZ面(e) 2.5 GHz,XOZ plane(f) 2.5 GHz,YOZ面(f) 2.5 GHz,YOZ plane图12 圆极化天线的仿真远场方向图Fig.12 Simulation of the far-field pattern of a circularly polarized antenna 3 天线实物测试及结果分析根据天线的最优结构参数值对设计的天线进行实物加工制作,天线的实物如图13所示,采用50 Ω的SMA接头馈电. 由于SMA接头外导体上有电流,也会产生辐射,在实际测试时进行了屏蔽处理,用SMA母头与其进行连接,SMA母头外导体与地连接,起到了屏蔽作用,抑制了辐射.(a) 顶部辐射贴片(a) Top radiating patch(b) 底部微带馈线(b) Bottom microstrip feeder图13 天线实物图Fig.13 Prototype of the antenna为了进行实物验证,采用矢量网络分析仪Agilent E5071C对天线的回波损耗进行测试,天线的仿真与实测回波损耗结果如图14所示. 从图中可以看出:仿真阻抗S11≤-10 dB的带宽覆盖了从2.05 GHz至3.9 GHz共1.85 GHz,其相对带宽约为63.5%;实测天线的阻抗S11≤-10 dB的带宽覆盖了从1.8 GHz至3.9 GHz共2.1 GHz,相对带宽为73.6%,相比仿真结果较优;仿真结果中天线的谐振频率点为2.4 GHz,实测结果中天线的谐振频率点为2.45 GHz,谐振频点略微出现了偏差,可能是由SMA接头焊接、天线实际加工精度不够等因素造成的.图14 天线的仿真与实测回波损耗Fig.14 Antenna simulation and measured return loss表3给出了本文所提出工作在2.4 GHz的圆极化微带天线与参考文献中所设计的工作在2.4 GHz圆极化微带天线的对比情况,从天线尺寸、增益(中心频点处)、阻抗带宽和AR带宽4个方面进行了详细对比分析.表3 本文天线与相关文献的对比Tab.3 Comparison with related literatures文献尺寸增益/dBi 阻抗带宽/GHzAR带宽/GHz[12]60 mm×60 mm×0.8mm6.07.44%1.63%[13]80 mm×80 mm×0.8 mm8.039.00%21.80%[14]34.9 mm×34.9 mm×1.6 mm4.56.60%12.80%本文41 mm×41 mm×1.6mm3.063.50%17.50%从表3中可以看出:所设计的圆极化天线在保证较宽的AR带宽和较小的尺寸下,相比于其他参考文献,阻抗带宽更宽; 文献[13]设计的圆极化天线,增益和AR带宽虽好但是尺寸近乎是本文设计的两倍,尺寸较大; 文献[14]设计的圆极化天线,尺寸小巧,但是相对AR带宽和阻抗带宽要小于本文设计.4 通信性能测试4.1 通信距离测试将设计的宽带圆极化微带天线加载到CY2420通信节点中进行通信性能的测试,该天线搭载CY2420无线通信模块的整体通信设备如图15所示.图15 整体通信设备Fig.15 Overall communication equipment接下来采用点对点测试方法,一端为发送端设备,发射功率为3.2 dBm,一端为接收端设备,且发送端设备与接收端设备全部采用图15搭载设计天线的CY2420通信设备,测试示意图如图16所示.图16 测试示意图Fig.16 Test schematic由于该天线处于2.4 GHz频段,2.4 GHz的无线信号穿透性能差、受Wi-Fi干扰严重,因此尽量选取100 m、150 m、200 m三个空旷和Wi-Fi干扰小的直线地段,分别测试5组,每组10次并计算每组测试平均值. 丢包率是指测试中所丢失数据包数量占发送数据包数量的比率. 工程上测试丢包率时发送模块一次发送1 000个数据包,接收模块的丢包率在1%以下为合格. 测试结果如表4所示.表4 无线通信节点丢包率测试结果Tab.4 Packet loss test results of wireless communication nodes组号丢包率/%100 m150 m200 m一组0.20.41.1二组0.10.41.3三组0.10.30.9四组0.10.31.3五组0.10.40.8由表4可知,搭载设计的宽带圆极化微带天线的CY2420通信设备在100 m处的平均丢包率为0.12%,150 m处的平均丢包率为0.36%,200 m处的平均丢包率为1.08%. 由此表明,搭载该天线的CY2420通信设备的通信距离基本上可达到200 m,具有很好的实用性.4.2 圆极化特性测试接着再测试天线的圆极化特性,接收端与发送端同样采用图15所示的无线通信设备,保持接收端设备方向不变,在辐射方向处改变发送端设备的方向,以发射天线平行于地平面水平放置并正对接收端设备为X轴正方向记为方向1数值为X0°,然后按照空间直角坐标系三条坐标轴划分为方向2(X轴负方向)数值为X180°,方向3(Y轴正方向) 数值为Y0°, 方向4(Y轴负方向) 数值为Y180°,方向5(Z轴正方向) 数值为Z0°,方向6(Z轴负方向) 数值为Z180°. 每个方向测10次并计算每个方向测试平均值,测得在120 m处这6个方向下的丢包率如表5所示.表5 120 m处任意方向下丢包率测试结果Tab.5 Packet loss test results in any direction at 120 m方向方向1方向2方向3方向4方向5方向6 丢包率0.24%0.23%0.25%0.25%0.23%0.23%由表5可知,任意改变辐射方向上发送端天线的位置时,接收端接收数据的效果基本相同,所以,设计的宽带圆极化微带天线具有较好的圆极化特性.5 结论本文总结回顾了圆极化微带天线的研究进展,着重介绍了一种临近耦合馈电方式的宽带圆极化微带天线的设计和分析,相对于其他圆极化微带天线的设计,具有带宽宽、尺寸小等优点. 该天线通过设计方形宽缝隙对角处的两个90°的“L型”结构构成的微扰单元来激发正交谐振膜,以辐射圆极化波. 最后,对天线进行加工制作,实测结果显示该天线具有良好的圆极化特性和实用特性. 希望本论文的相关内容能为宽带圆极化微带天线的研究做出微薄的贡献,也能给后面的研究者带来一定的启发和借鉴.参考文献【相关文献】[1]胡明春, 杜小辉, 李建新. 宽带宽角圆极化贴片天线的实验研究[J]. 电子学报, 2002, 30(12):1888-1890.HU M C, DU X H, LI J X. Experimental study of broad-band and wide-angle circularly polarized patch antennas[J]. Chinese journal of electronics, 2002, 30(12): 1888-1890.(in Chinese)[2]GUO Y X, BIAN L, SHI X Q. Broadband circularly polarized annular-ring microstrip antenna[J]. IEEE transactions on antennas & propagation, 2009, 57(8): 2474-2477.[3]CHEN Y B, LIU X F, JIAO Y C, et al. CPW-fed broadband circularly polarised square slot antenna[J]. Electronics letters, 2006, 42(19): 1074-1075.[4]李雪慧. 新型圆极化天线技术研究[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2014.LI X H. On the novel technology for circularly polarized antenna[D]. Xi’an: Xidian University, 2014.(in Chinese)[5]TONG K F, LACOTTE G, HUANG J J. Wideband single-fed proximity coupled circularly polarized annular slot antenna[J]. IET microwaves antennas & propagation, 2010, 4(10): 1451-1455.[6]JIE A M, NASIMUDDIN, KARIM M F, et al. A proximity-coupled circularly polarized slotted-circular patch antenna for RF energy harvesting applications[C]//IEEE Region 10 Conference. Singapore: IEEE, 2016: 2027-2030.[7]洪振. 宽带/双频带圆极化微带缝隙天线设计[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2012.HONG Z. Design of broadband/dual-band circularly polarized microstrip slot antennas[D]. Xi’an: Xid ian University, 2012.(in Chinese)[8]钱祖平, 刘亭亭, 赵菲. 缝隙耦合馈电宽带圆极化天线设计[J]. 电波科学学报, 2010, 25(4):1226-1232.QIAN Z P, LIU T T, ZHAO F. Design of slot-coupled feed broadband circularly polarized antenna[J]. The Chinese journal of radio science, 2010, 25(4): 1226-1232.(in Chinese) [9]关敏. 宽带圆极化微带缝隙天线的设计[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2014.GUAN M. Design of broadband circularly polarization microstrip slot antenna[D]. Xi’an: Xidian University, 2014.(in Chinese)[10]WU J J, YIN Y Z,WANG Z D, et al. Broadband circularly polarized patch antenna with parasitic strips[J]. IEEE journals & magazines, 2014, 14: 559-562.[11]GUO Y X, BIAN L, SHI X Q. Broadband circularly polarized annular-ring microstrip antenna[J]. IEEE journals & magazines, 2009, 57(8): 2474-2477.[12]LIAO C T, LIN Y F, CHEN C H, et al. A novel aperture-coupled circularly polarized square-ring patch antenna for wireless communication systems[C]//5th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation. Kaohsiung: IEEE, 2016: 57-58.[13]CAI Y M, LI K, YIN Y Z. A wideband circularly polarized microstrip slot-patch antenna design [C]//IEEE Asia Pacific Microwave Conference. Kuala Lumpur: IEEE, 2017: 1185-1187.[14]SUN L Y. A novel method of broadening bandwidth for compact single-fed circularly polarized microstrip antenna [C]//IEEE International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology. Beijing: IEEE, 2016,2: 623-625.。

S波段定向高增益圆极化微带天线阵的研制

收稿日期:2007-12-24;　收修改稿日期:2008-01-30S 波段定向高增益圆极化微带天线阵的研制王维云　焦军军　张福顺　焦永昌(西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室,西安710071) 摘　要　文章论述了定向高增益圆极化微带天线阵的设计方法。

以工作频率为2.45GHz 的32单元圆极化微带天线阵为研究对象,设计出了与馈电网络为一体、圆极化特性良好且具有定向高增益的微带天线阵,从而解决了圆极化微带天线阵馈电网络较为复杂、工程实现较为困难这一问题。

实验结果表明该天线阵具有良好的定向性和圆极化特性,达到了20.5d B 的增益,进而说明了该方法是有效可行的。

关键词　微带天线　圆极化　天线阵列　定向高增益天线0　引言在卫星通信系统中,要求天线应具有圆极化特性好、增益高、方向性强、体积小及质量轻等特点。

微带天线则有体积小、质量轻的特点,但单个微带天线辐射元的增益及方向性均很难达到要求,只能用微带天线阵列来实现[1]。

传统的微带贴片天线是两片微带贴片[2,3]或单片贴片双向馈电来产生圆极化,当其作为天线阵的单元时,使馈电网络复杂,损耗很大,很难满足定向性以及高增益的要求。

为了减小馈电网络的影响,文章采用了一种对单个贴片用50Ω馈电线单向馈电的方法来实现圆极化。

通过一系列50Ω的传输线馈电,可以使微带天线阵的损耗最小,并且加工简单,易于工程实现。

文章利用一般微带天线的设计方法设计出天线单元,用Ans oft HFSS 软件对天线单元进行仿真优化设计并利用匹配枝节对电压驻波比进行了调节。

为了满足定向性的要求,优化了阵元的个数以及排列方式。

通过若干级二等分功分器设计出馈电网络,使得各阵元的馈电相位相同。

从而使得设计的微带天线阵列满足低副瓣和高增益的要求。

1　天线单元的设计1.1　单元尺寸的设计矩形微带天线尺寸按下列公式确定[4]。

a =c 2f 0εr +12-12(1)b =c 2f 0εe(2)式中,a 为贴片宽度,b 为贴片长度,εr 为介质板介电常数,εe 为等效介电常数:εe =εr +12+εr -12-1+10h a -1/2(3)582009年第2期空间电子技术S PAC E ELEC TRON I C TECHNOLO GYf 0(λ0)为微带天线工作的中心频率(波长),c 为光速(3×108m /s ),h 为介质板厚度。

一种大带宽高增益微带天线的研究与设计

ｄｉＭｏｅｖｒｔｅａｔｎａｈｓｔｅｃａａｔｒｓｉｓｏｔｂｅｖｒａｉｎｏｈａｎａｄｒｉｔｎｐｔｅｎ．Ｂ．ｒｏｅ，ｈｅｎａｈｒｃｅｔｆｓａｌａｉｔｆｔｅｇｉｅａｉａｔｒｓｎｈｉｃｏｎｄｏＫｅｗｏｄ．ｃｏｔｉｎｔｎａｗｉｅｂｎｗｉｔｈｇａｎｙｒｓｍｉｒｓｒｐａｅｎ；ｄａｄｄｈ￣ｉｈｇｉ
ｐｒｍｅｅｓａｎｅｎｅａｎｎｅｈｓｂｅｉｃｓｅｄｄｔｉｆｔｅａｔｎａｄｓｇｒｒｓｎｅ．ｔｉｎｉａｅａａｔｒｍｉａｔｎａｐ￣ｏａｃａｅｎｄｓｕｓａｅａｌｏｈｎｅｎｅｉｎ０ｅｐｅｅｔｄＩｉｄｃｔｄｎｓｓｄ
ｔａｅｂｎｗｉｔ（ＷＲ２ｆｔｅａｔｎａｒａｈ５５ａｄｔｅａｅａｅｇｉｏｅｅｗｈｌｂｎｗｄ．１ｈｔａｄｄｈｔｈＶＳ￣）ｏｅｎｅｃｅ７．ｎｖｒｇａｎｖｒｔｏｅａｄｔｉ７３ｈｎｓｈｈｉｈｓ
ｇｏｎｌｎｓｅｐｏｅＯｅｈｎｅａｔｎａｇｉａｉｏＲＳｆｗａｅ，ｈｅａｉｎｈｐｂｔｃｅｅｓｒｃｕｅｒｕｄｐａｅｉｍｌｙｔｎａｃｅｎａｒＯｎｂｓｓｆＨｄｎＬｏｔｒｔｅｒｌｔｓｉｅｖｅｎｔｔｕｔｒｏｈ
０引
言
度，在很大程度上减小了引入电感，实现了天线带宽的
展宽。
传统微带天线的带宽很窄，通常只有百分之几，了为扩展微带天线的带宽，很多专家学者经过不断探索研究，获得了许多扩展带宽的方法［。其中一种方法是采用低１］介电常数的厚介质基片［］但是随着基片厚度的增加，２，＿３馈电探针的长度也随之加长，这样会使引入电感增大，响影天线的输入阻抗，造成失配增加，限制了天线带宽的进一步增加。于是出现了一系补偿引入电感的办法［，４如在］贴片上开Ｕ形槽或Ｅ形槽，这样可使天线获得３～０４的带宽；０使用Ｌ形馈电探针，也能够获得３左右０的带宽［。此外，７］在使用低介电常数厚基片的同时缩短馈

基于人工电磁结构的宽带宽波束高增益圆极化微带天线阵

DOI：10.16660/ki.1674-098X.2105-5640-4534基于人工电磁结构的宽带宽波束高增益圆极化微带天线阵林家栋1 柴晋飞2 苏周1 巫勇1(1.空军预警学院湖北武汉 430019; 2.空军装备部驻成都军事代表局综合处四川成都 610051)摘要：圆极化微带天线因其特有的极化优势，在卫星通信系统中有着广泛的应用。

为满足不断发展的卫星通信系统，要求圆极化微带天线具备较宽的带宽和波束。

本文介绍了一型基于人工电磁结构的宽带宽波束高增益圆极化微带天线阵，并进行了仿真，结果表明该天线具有较宽的带宽和波束特性，为圆极化微带天线在卫星通信系统中的应用提供了参考。

关键词：宽带宽波束圆极化微带天线中图分类号：TN823 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2021)05(b)-0128-04Wide-Bandwidth Wide Beam Circular Polarized MicrostripAntenna Array with High Gain Based on ArtificialElectromagnetic StructureLIN Jiadong 1 CHAI Jinfei 2 SU Zhou 1 WU Yong 1(1. Air Force Early Warning Academy, Wuhan, Hubei Province, 430019 China; 2. General Off ice of theMilitary Representative Bureau of the Air Force Equipment Department in Chengdu, Chengdu,Sichuan Province, 610051 China)Abstract : Circularly polarized microstrip antennas are widely used in satellite communication systems due to their unique polarization advantages. In order to meet the ever-developing satellite communication system, the circularly polarized microstrip antenna is required to have a wider bandwidth and beam. A wide-bandwidth wide-beam high-gain circularly polarized microstrip antenna array based on artif icial electromagnetic structure was introduced, and the simulation results show that the antenna has a wide bandwidth and beam characteristic. It provides a reference for the application of the circularly polarized microstrip antenna in the satellite communication system.Key Words : Wide-bandwidth; Wide beam; Circular polarization; Microstrip antenna array作者简介：林家栋（1992—），男，硕士，助教，研究方向为天线。

一种高增益宽频带圆极化微带阵列天线的研制

一种高增益宽频带圆极化微带阵列天线的研制李宁;张怀武;苏桦【摘要】针对微带天线阻抗匹配带宽一般较窄的自身缺陷，基于相控阵雷达天线的应用背景，设计了一种工作在X波段的双层圆极化微带天线结构，且优化发现，其各电磁参数良好。

为提高其增益，还在此基础上设计并最终制作了双层2×2结构的微带天线阵列，其实测性能与设计值相符，增益达到10.7 dB，带宽1.2 GHz，相应轴比为4 dB，符合圆极化要求。

% Since the impedance matching bandwidth is narrow, aiming at this problem, a double-layer circularly polarized microstrip antenna structure working in X band is designed, based on the application background of phased array radar antenna. It is found out through optimaization that each electromagnetic parameter isall right. In order to improve the gain, a structure of 2×2 double-layer microstrip antenna array is designed on this basis, and the experimental results match up with its design value, the gain reaches 10.7 dB, the bandwidth is 1.2 GHz, and the axial ratio is 4 dB, which meets the requirements of circular polarization.【期刊名称】《物联网技术》【年(卷),期】2013(000)006【总页数】3页(P20-22)【关键词】相控阵雷达天线;X波段;微带天线阵;圆极化【作者】李宁;张怀武;苏桦【作者单位】电子科技大学微电子与固体电子学院，四川成都 610054;电子科技大学微电子与固体电子学院，四川成都 610054;电子科技大学微电子与固体电子学院，四川成都 610054【正文语种】中文【中图分类】TN822相控阵雷达具有可多发多收、快速响应及定位波束指向，可用多部发射机同时工作以整合功率，结构上易于使天线与雷达集成共形等特点，在实现高速探测、高效和并行跟踪、拓展雷达三维作用范围等方面具有明显的优势，因此，相控阵雷达成为当今雷达发展的主流。

高增益低副瓣X波段宽带圆极化Vivaldi天线阵设计

ｆｏｒＸ・ｂａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
ＷＵＷｅｎ－ｈｅ，ＷＥＩＧａｏ，ＺＨＡＯＷｅｎ — ｑｉ，ＬＩＷｅｎ－ｔｉｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＩｎｆｏＩｍａｔｉｏｎ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎ７１０１２９，Ｃｈｉｎａ）
于２０ｄＢ。两个主平面的方向图对称性良好且基本重合。各天线单元间的低耦合使得天线阵的交叉极化很低。实物
测试结果与仿真结果基本吻合。
关键词：圆极化；Ｖｉｖａｌｄｉ天线；宽带；高增益；低副瓣；阵列
吴文鹤，韦高，赵文奇，李文廷
（西北工业大学电子信息学院，陕西西安７１０１２９）
摘要：设计了一种新型的覆盖ｘ波段的宽带圆极化２× ２天线阵，具有高增益、低副瓣和良好的圆极化性能。该
阵列以Ｖｉｖａｌｄｉ天线为基本单元，采用旋转对称的十字形结构，四端口等幅馈电且相位依次为０。，９０￣，１８０￣和
第２２卷第５期
Ｖｌ０１．２２
ＮＯ．５
电子设计工ｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

可重构微带天线及宽带圆极化微带天线研究

可重构微带天线及宽带圆极化微带天线研究一、本文概述随着无线通信技术的快速发展，微带天线作为一种重要的天线形式，因其体积小、重量轻、易于集成和制造成本低等优点，在无线通信、卫星通信、雷达系统等领域得到了广泛应用。

传统的微带天线在应对复杂多变的通信环境和需求时，其性能往往难以达到理想状态。

研究和开发具有可重构特性和宽带圆极化特性的微带天线，对于提升无线通信系统的性能、适应性和灵活性具有重要意义。

本文旨在深入研究可重构微带天线及宽带圆极化微带天线的相关理论与技术。

对可重构微带天线的设计原理和实现方法进行探讨，分析其在不同通信需求下的重构机制与性能优化。

研究宽带圆极化微带天线的设计理论和技术实现，探讨其在宽频带范围内实现稳定圆极化辐射的机理和方法。

结合实际应用场景，对可重构和宽带圆极化微带天线的性能进行仿真分析和实验验证，为无线通信系统的天线设计提供理论支持和技术指导。

本文的研究内容不仅有助于推动微带天线技术的发展，还可为无线通信系统的天线设计提供新的思路和方法。

通过深入研究和探索可重构及宽带圆极化微带天线的性能和应用，有望为未来的无线通信系统提供更加高效、灵活和稳定的天线解决方案。

二、微带天线理论基础微带天线，作为一种重要的平面天线形式，自上世纪70年代被提出以来，因其低剖面、易共形、低成本以及易于与微波集成电路集成的优点，在无线通信、卫星通信、雷达系统以及导弹和航天器等众多领域得到了广泛应用。

微带天线的设计和实现涉及到电磁场理论、传输线理论、微波网络理论等多个学科的知识。

微带天线的辐射原理可以通过传输线模型来解释。

在微带天线中，辐射贴片可以视为一段具有特定长度和宽度的传输线，其两个开路端作为辐射边。

当天线被激励时，传输线上的电磁场分布会发生变化，进而激发出辐射场。

辐射贴片上的电场分布决定了天线的辐射方向图和增益，而磁场分布则影响天线的输入阻抗和带宽。

微带天线的性能还受到介质基片的影响。

介质基片的介电常数决定了天线的工作频率和尺寸，而基片的厚度则影响天线的带宽和辐射效率。

宽带及双频双圆极化微带天线研究的开题报告

宽带及双频双圆极化微带天线研究的开题报告
研究背景：
在目前的信息化社会中，互联网已经成为人们生活中必不可少的一
部分。

为了满足人们日益增长的网络需求，宽带通信技术得到了迅速的
发展。

然而，随着用户数量的不断增加和移动通信的普及，网络信号的
传输速度和稳定性都面临着很多挑战。

因此，研究宽带及双频双圆极化
微带天线技术已成为当前通信领域的一个热点问题。

研究内容：
本研究的目的是针对宽带及双频双环极化微带天线这一技术难点，
进行深入研究。

主要研究内容包括以下几个方面：
1. 宽带微带天线设计：对不同频段的微带天线进行设计，重点研究
天线宽带特性及其对天线性能的影响。

2. 双频双环极化微带天线设计：在宽带微带天线的基础上，改进天
线结构以实现双频双环极化特性，研究其电磁特性和功率适应性。

3. 天线参数优化：通过调整天线结构和参数，提高天线性能，包括
辐射效率、增益、方向性等方面。

4. 实际应用测试：对设计的微带天线进行实际应用测试，验证其性
能和稳定性，在不同环境下比较不同天线的优劣。

研究意义：
本研究的结果对于解决宽带通信和移动通信中天线设计中所面临的
问题具有一定的实用性和推广价值。

在实际应用中，可以通过优化微带
天线结构和参数，提高通信的稳定性和传输速度。

同时，研究双频双环
极化微带天线技术，可以为多频段通信和数据传输提供有效的解决方案。

因此，本研究具有一定的学术意义和应用价值。

双圆极化微带阵列天线及高增益圆极化微带天线的设计

1.1 选题背景及其意义 ................................................................................................ 1 1.2 微带天线的国内外研究现状 ................................................................................ 2 1.3 圆极化微带天线的发展及应用 ............................................................................ 3 1.4 阵列天线的发展及国内外研究现状 .................................................................... 3 1.5 论文的主要工作及内容安排 ................................................................................ 4
代号分类号
10701 TN82
学号密级
1018120843 公开
题（中、英文）目双圆极化微带阵列天线及高增益圆极化微带天线的设计 Design of Dual Circularly Polarized Microstrip Antenna Array and Circularly Polarized Antenna with High Gain Characteristic
注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成
果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的

宽带高增益环形圆极化微带天线

Abstract: Two novel single-fed ring circularly polarized microstrip antenna with an enhancing bandwidth are designed to broaden the axial ratio bandwidth of the cut ring patch antenna. Since the lateral slot perturbs the surface current of the ring patch, two equal-amplitude radiation modes with a phase difference of 90° are excited to radiate circular polarization. The measured results show that good circularly polarized <hara<teristi<softheannular-ringandthesquare-ringantennashavebeenobtainedrespe<tivelyfrom3.74to 3.98 GHz and from 3.80 to 4.04 GHz. The axial ratios (ARs) are less than 3 dB and the voltage standing wave ratios (VSWR) are less than 2. In addition, the antenna peak gains are higher than 10. 0 dB for annular-ringandsquare-ring microstripantennasovertheoperatingbandwidth. Key Words: single-fed; wideband; high-gain； circularly polarization ； microstrip antenna

高增益微带天线的研究与设计的开题报告

高增益微带天线的研究与设计的开题报告一、问题背景及意义随着移动通信技术的不断发展，无线通信的需求也越来越高。

微带天线因其结构简单、体积小、重量轻、易于制造、集成度高等优点已被广泛应用于无线通信系统中。

如何通过设计优化，提高微带天线的增益是当前研究的重点之一。

因此，本文将围绕扩展带宽微带天线的研究和设计，重点研究高增益微带天线的设计。

二、研究目标本文的研究目标为设计一种基于微带线结构的高增益微带天线，并进一步优化其设计，以达到扩展带宽的效果。

通过有效的设计优化，最大程度地提高天线的增益，实现更加可靠的无线通信。

三、研究内容与方法1. 文献综述：本文将对微带天线的发展历程、研究现状及其应用进行综述，了解微带天线相关技术的发展现状，并从中提炼出可行性试验方案。

2. 设计方案：通过分析微带天线前端参数，初步设计高增益微带天线结构，以提高其增益；在此基础上，进一步通过各参数逐步调整、优化实验，最终得到高增益微带天线优化结构。

3. 实验室制作：将最终设计的微带天线结构制作出实验原型，用于室内测量和分析天线参数。

4. 室内测量：利用射频测试仪器对微带天线进行室内测量，分析其参数特性，包括增益、驻波比、带宽等。

5. 数据分析：收集实验数据，分析其参数特性，通过对实验数据进行分析，最终得到最优设计结构。

四、预期结果通过本研究，预期得到一种高增益微带天线优化设计结构，以提高其性能特点（如增益、带宽等），并在无线通信系统中得到更好、更可靠的应用。

五、工作计划1. 第一周：文献综述和高增益微带天线结构初步设计方案的制定；2. 第二周：设计优化方案的细化；3. 第三周：制作微带天线实验原型；4. 第四周：实验室测量和数据分析；5. 第五周：结果报告编写。

六、参考文献1. Nguyen, C. M., & Lee, S. (2005). A broadband microstrip patch antenna witha U-shaped slot. IEEE antennas and wireless propagation letters, 4(1), 187-190.2. Panda, J. R., & Behera, S. K. (2010). Design of a broadband patch antenna with defected ground structure. Progress in Electromagnetics Research Letters, 19, 91-101.3. Huang, X. Q., & Liu, G. X. (2005). Research of high-gain and wide-band microstrip antenna. Technology of Electronic Engineering, 28(5), 54-57.4. Du, L., & Wu, K. L. (2004). Microstrip antenna with fractal EBG structure. Electronics letters, 40(5), 284-285.。