C波段高增益平板微带天线的设计

近似代替 空气。这 里取 泡沫塑 料的 厚度为 3mm。
为了获得指标带宽, 这里采 用 U _S lot 矩形贴片 天 线。在确定介质层材料和厚度以后, 首先要确定单
元贴片宽度 W 的尺寸。在 r 及 h 已知时, e 取决 于 W, 单元贴片长度 L 的尺寸取决于 e。W 的尺寸 对微带天线的方向函数、辐射电阻、输入阻抗都有影
作者简介 孟玮 1982年生, 硕士研究生, 助教, 毕业于河 北大学, 现在军械工程学院任教。主要从事测控技 术研究。 杜平 1982 年生, 硕士研究生, 毕业 于河北大 学, 工程师, 现在北京握奇数据系统有限公司工作。 主要从事智能卡开发。 李爱华 1982年生, 硕士研究生, 助教, 毕业于 河北科技大学, 现在军械工程学院任教。主要从事 无损检测技术研究。
单元 贴片 长 度 L 的 取 值 应该 比 半 个 波 长稍
小。这是因为 在实际 中, 辐 射端 电力 线会 产生变 形, 等效为一 定的分 布电容。分 布电 容在 传输线
理论中 等 效为 一段 传输 线长 度 !l。因此 在 设计
中, 应该从理论上的 半波长 g /2 减去 两端的 !l,
得到实际长度为 L = g /2- 2!l或者 L = c 2fr e
参考文献
[ 1] A u T M, T ong K F, Luk K M. Ana lys is o f o ffse t dua l
空间电子技术
2010年第 4期
SPACE ELECTRON IC TECHNOLOGY
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C 波段高增益平板微带天线的设计
孟玮 1 杜平2 李爱华1
( 1 军械工程学院电气工程系, 石家庄 050000; 2. 握奇数据系统有限公司, 北京 )
摘 要 文章以微带天线的基本电磁场理论为依据, 对微带天线的结构进行了深入的研究。 通过建模仿真, 设计频带为 4. 5GH z~ 5. 0GH z的天线, 要求在该频段天线的驻波比 VSWR < 1. 6, 平 均增益为 28~ 29. 5dB。在设计中采用微带 U _S lot矩形贴片作为单元, 引入 结构, 采用近邻耦合 方式进行馈电, 组成天线阵列来实现。设计结果通过实验室提供的天线测量设备进行测试, 软件仿 真结果与实际测量结果有较好的一致性。
关键词 微带天线 天线阵列 U _S lot矩形贴片 结构
0 引言
普通的微带天线是一种谐振天线, 相对带宽较 窄, 常规设计带宽一般不到 3% ; 随着其工作频率的 降低, 带宽逐渐减小且损耗较大, 因此效率较低; 单 个微带天线的功率也较小, 介质基片对性能影响较 大。
微带平板阵列天线以平板低剖面结构、易共性、 质量轻、成本低、效率高等优点受到广泛关注, 其在 无线通信、雷达、遥感、电子对抗等众多领域获得了 广泛应用。微带平板阵列天线由馈源和微带贴片单 元构成的阵面组成, 可以通过调节贴片单元的结构 和馈电方式实现高增益、宽频带。目前, 普遍使用的 展宽天线频带的方法, 如增加寄生贴片, 虽然对频带 有了一定程度的展宽, 但存在天线尺寸增大、结构复 杂、分析和制作困难等不利因素; 传统的馈电方式, 如同轴线馈电等, 不利于阵列天线的设计。
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图 13 256元阵列天线驻波比曲线图
3 结论源自文库
文章论述了 C 波段高增益平板微带天线的设 计方法, 对于研制的 256元微带阵列天线, 从实际测 试数据看, 测量结果与仿真结果基本一致, 说明该文 的设计方法具有应用价值, 并对进一步提高微带天 线的增益提供了重要的参考价值。该文并未对阵列 天线单元间的互耦情况、阵列天线损耗等进行说明, 这部分内容是下一步工作的重点, 需要进一步的分 析和讨论。
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图 1 U _S lo t矩形贴片结构
U _S lot矩形贴片天线的优点显而易见, 但对于 阵列天线利用同轴线馈电方式进行馈电 会使设计 变的很复杂, 因此, 阵列天线利用同轴线 馈电是不 可取的。为 了克服 上述缺点, P ozar和 K au fm an 设 计了中心 频率 在 3. 4GH z的 单 层矩 形 贴片, 得 到 13% 的带宽 ( VSWR < 1. 6) 。该单层矩形贴片是由 单线结构连接馈电方式进行馈电的, 需要考虑阻 抗匹配问题。这种 方式 虽然比 同轴 线馈 电简单, 但对于多元的大型阵列天线来说, 阻抗匹配问题 便会异常复杂。 Luk 和 L ee提 出了一 种方法 来解 决, 即使用新颖的 结构。这种 结构连接 在微 带天线馈电 线的末 端。通 过实验, 中心频 率为 4. 3GH z时, 能够得到 20% 的带宽 ( VSWR < 1. 6) , 在 通带范围内, 得到 7. 5dB 的增益和 - 20dB 的交叉 极化 [ 4] 。 结构的引入不仅 保持了 U _slo t贴片天 线的高增益、宽频带的 特点, 而且使得阵 列天线的 设计大大简化。这种近邻耦合的 U _S lot矩形贴片 天线如图 2所示。
段, 频 带范围 4. 5GH z~ 5. 0GH z, 平均增 益为 28~ 29. 5dB, 相对带宽达到 18% , 要求在该频段 VSWR < 1. 6。为了达到预期的设计要求, 通过分析计算, 当阵列天线的元数达到 256时, 可以达到设计要求。 这里以四元微带天线阵列为基础, 进而设计 256 元 阵列天线。 2. 2 四元微带天线阵列设计和测量
patch m ic ro str ip antenna [ J]. IEE P roc. M icrow. A n tenna P ropag. , 1994, 141 ( 6): 523~ 526 [ 2] H uynh T, L ee K F. S ingle laye r sing le pa tch w ideband m icro str ip antenna[ J]. E lectron. Le tt. , 1995, 31 ( 16): 1310~ 1312 [ 3] Lee K F, L uck K M, T ong K F, et a.l Exper im ental and simu la tion studies of the coax ia lly fed U _S lo t rectangu la r antenna [ J ]. IEE Proc. M icrow. An tennas P ropag. , 1997, 144 ( 5): 354~ 358. [ 4] M ak C L, Luk K M, L ee K F. Prox im ity coup led U _Slot patch antenna[ J]. E lectron. Le tt. 1998, 34 ( 8): 657~ 65 9
针对以上方法的缺陷, 文章首次提出采用微 带 U _Slot矩形 贴片天线 作为天线 元, 近邻耦 合的 馈电方式进行馈电, 通过增加单元数目来设计 256 元微带阵列天线, 使天 线的尺寸和体积大大减小,
收稿日期: 2010- 03- 18; 修回日期: 2010- 06- 30
而且具有较 高的增 益和较 宽的频 带宽 度, 完全可 以代替宽带天线, 在需要高增益、要求宽带宽的场 合使用。
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图 4 结构
图 7 单元天线方向图
2 天线阵设计
图 5 结构的最佳位置 S 的 选取
1. 4 单元测试结果 用 H P8510网络分 析仪对 近邻耦 合微带 天线
进行测量, 经过大量的 实际测试, 发现最 大的带宽 为 20% , 这时 S 的 值 为 13. 72mm。而 当 9mm S
图 3 U _S lo t矩形贴片
1. 3 结构的设计 根据传输线与馈电理论, 通过 H FSS 软件仿真
并进行实际测量, 得到实际 结构的形式及尺寸, 如图 4所示。
由于馈电结构必然存在阻抗匹配问题, 经过大 量的试验测量, 结构在某一个位置 S 的时候达到 最佳的阻抗匹配, 结构的最佳位置 S 的选取示意 如图 5所示。
1 天线单元的设计
1. 1 设计思想概述 平板微带天线特性优良, 但微带天线的频带宽
度很窄, 使应用受到了限制。提高微带天线带宽的 方法很多, 但是都存在一定的缺陷。比较常用的方 法是使用寄生贴片, 寄生天线的共面几何结构会增 加天线的侧面尺寸, 多层几何结构会增加天线的厚 度 [ 1] , 这些对于天线是不利的。为了解决这些不足 之处, 天线研究者进行了大量的研究, 例如改变天线 结构, 在微带贴片上开各种形状 的缝隙等。H uynh 和 L ee提出了一种 U _Slot矩形贴片天线, 该设计采 用中间开有 U形槽的矩形贴片作为辐射单元, 结构 如图 1所示, 应用同轴线方式馈电, 可 以得到 30% 的带宽 [ 2] 。经过大量的分析和研究, 微带 U _S lot矩 形贴片天线显 示出了较好的宽频 特性 [ 3] 。较 之其 他在微带贴片上开各种形状缝隙的做法, U _S lo t矩 形贴片天线不仅制作工艺相对简单, 更重要的是在 获得高增益的同时还能实现宽带宽, 是其他实现所 不能达到的。
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图 8 四单元 U _S lo t矩形贴片微带天线的馈电网络图
图 9 四单元微带阵列天线增益曲线图
图 11 256元阵列天线方向图
图 10 256元微带阵列天线馈电网络
图 12 256元阵列天线 E面、H 面方向图
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孟玮 等: C 波段高增益平板微带天线的设计
响, 因此也会影响微带天线的频带宽度和辐射效率。
对于在尺寸允许的条件下, W 要取 得稍大一些, 这 样对频带、效率以及阻抗匹配都有利。但是, 如果 W
的取值大于 W
=
c 2fr
(
r
+ 2
1) -
1 /2给出的值 时将产生
高次模, 从而引起场的畸变。由该式可知 W 总是取
小于 g /2的值, 该文所设计的频带为 4. 5GH z~ 5. 0GH z, 由此计算得出 W = 23 16mm。
2!l。由此计算出单元贴片的长度为 L = 37 2mm。
经过大量实际测 量, 得 到 U _Slot矩 形贴片 的具体
尺寸, 如图 3所示。
图 2 结构及近邻耦合的 U _S lo t矩形贴片天线
1. 2 U _Slot矩形贴片设计 设计微带天线要选择合适的介质层。文中所设
计的微带天线采用近邻耦合的馈电方式, 矩形贴片 与馈电线之间应该为空气, 但是为了分离和支撑微 带天线, 介质层选择泡沫塑料 ( 介电常数接近 1) 来
在四元的基础上, 依次对 16元、64元微带天线 阵列进行了设计和测量, 最后扩展到 256元, 结构如 图 10所示。仿真 256元阵列天线方向图如图 11所 示; 256元阵列天线 E 面、H 面方向图如图 12所示; 256元阵列天线驻波比曲线图如图 13所示。对 256 单元微带阵列天线进行测试, 在 VSWR < 1. 6时, 带 宽 接近 18% , 满足设计的带宽要求。在通带范围的 平均增益值大约为 28. 1dB, 在 28dB ~ 29. 5dB 的范 围内, 达到设计要求。可见, 256元微带阵列天线就 是满足设计要求的 C波段高增益平板微带天线。
16mm 时, 带宽 BW 18% 。微带天线在 4. 5GH z ~ 5. 0GH z时增益 的曲 线图 如图 6所 示。由曲 线 图可以看出, 微带天线在通带内的平均增益值为 7. 5dB, 符合 设计 要求; 单 元天线 的方 向图 如图 7 所示。
图 6 增益曲线图
2. 1 设计要求 微带阵列天线设计指标如下: 天线工作在 C 波
馈电网络采用传统的二等功分器。通过实际测 量四单元微带阵列馈电网络的详 细尺寸如图 8 所 示。图 9是四单元微带阵列天线增益的曲线图, 图 中对单片微带天线和四元微带阵列天线的增益曲线 图进行了对比, 四单元的增益在通带内的平均增益 值近似为 12dB, 比单片微带天线的增益有了明显的 提高。 2. 3 256元微带阵列天线设计与测量