2014圆极化微带天线技术_赵云

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UHF频段RFID读写器天线小型化设计

UHF频段RFID读写器天线小型化设计摘要：RFID天线通过贴片切角、挖方形槽以及接地板开十字形缝隙的方法来减小尺寸、实现圆极化和提高天线增益，通过对参数的优化仿真最终使天线轴比接近1dB，增益达到-0.69dB，尺寸比传统天线减小了21%，满足我国UHF 频段的要求。

关键词：RFID 微带天线圆极化贴片开槽小型化中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）10-0138-02Abstract：RFID patch antenna by Cutaway，dig a square cross open ground plate groove and ways to reduce the size of the gap，to achieve circular polarization and increase the antenna gain by optimizing the parameters of the final simulation antenna axial ratio close to 1dB，gain of -0.69dB，reduce antenna size than the traditional 21% to meet the requirements of the UHF band.Key Words：RFID；microstrip antenna；circular polarization；slotted patch；miniaturization根据读写器的类型可以把读写器分为以下三种：固定式读写器、便携式读写器、手持式读写器。

对于固定式读写器而言，影响他的关键因素是如何有效地传送功率来延长电池寿命，而极化方式和读写范围并不是十分重要。

便携式读写器中的读写器天线在设计的过程中主要受到尺寸和重量的限制，因此设计出可应用于其中的轻型小型化读写器天线至关重要。

满足北斗卫星导航的双频圆极化微带天线的制作方法

本技术介绍了一种满足北斗卫星导航的双频圆极化微带天线，包括介质基板、接地板和辐射单元，所述辐射单元包括多个辐射贴片环，所述辐射贴片环为内外嵌套且设有开口的金属双环，所述介质基板上设有馈电口。

通过内外矩形金属贴片形成嵌套模式并且关于中心馈电口形成中心对称，且采用同轴馈电的微带天线结构，并在合适的位置形成开口，通过中心馈电使矩形贴片形成等幅且相位相差90°正交馈电，内外辐射金属环分别对应了北斗的B2和B1频段的谐振频点，从而达到双频圆极化特性。

本技术的微带天线尺寸较小、模型简单、易于理解和加工且应用领域广泛。

技术要求1.一种满足北斗卫星导航的双频圆极化微带天线，包括介质基板、接地板和辐射单元，其特征在于，所述辐射单元包括多个辐射贴片环，所述辐射贴片环为内外嵌套且设有开口的金属双环，所述介质基板上设有馈电口。

2.根据权利要求1所述的双频圆极化微带天线，其特征在于，所述辐射贴片环的数量为2个。

3.根据权利要求1所述的双频圆极化微带天线，其特征在于，所述辐射贴片环的位置关于馈电口中心对称。

4.根据权利要求1所述的双频圆极化微带天线，其特征在于，所述馈电口位于介质基板的中心。

5.根据权利要求1所述的双频圆极化微带天线，其特征在于，所述介质基板包括介质常数为4.4、损耗角正切为0.02、厚度为1.6mm、尺寸为103mm×90mm的FR4_epoxy基板。

6.根据权利要求1所述的双频圆极化微带天线，其特征在于，所述接地板为金属接地板。

7.根据权利要求1所述的双频圆极化微带天线，其特征在于，所述接地板的尺寸与介质基板相同。

技术说明书一种满足北斗卫星导航的双频圆极化微带天线技术领域本技术涉及一种微带天线，尤其涉及一种满足北斗卫星导航的双频圆极化微带天线。

背景技术随着无线通信技术的不断发展，卫星导航技术的应用领域也变的更为广泛，能够广泛地应用于我们的社会生活，卫星导航利用的无线电波导航定位技术为我们提供了高精度的定位导航功能，给人们的生活带来了极大的便利。

圆极化微带天线的设计及研究

摘要微带天线具有体积小，重量轻，低剖面，制造成本低，易于批量生产，易于和微带线路集成等特点，能得到单方向的宽瓣方向图，易于实现双频段、双极化等多功能工作。

这些优点使得微带天线在大约100MHz～100GHz宽广频域上，广泛应用于包括卫星通信、雷达、遥感、制导武器以及便携式无线电设备。

论文首先回顾了微带天线的发展史，介绍了它的结构、优缺点及应用，然后给出了微带天线的几种分析方法，包括传输线法，空腔模型法，积分方程法等，并介绍了微带天线圆极化的原理和实现方法以及微带天线的馈电方式。

然后在Ansoft HFSS中创建了一个单馈圆极化微带天线和双馈圆极化微带天线，分析了S11和VSWR参数，画出了方向图。

为了实现圆极化，进行了轴比的优化仿真，达到了较为理想的结果。

关键词：微带天线、圆极化、轴比AbstractThe microstrip antennas has the volume to be small, the weight is light, the low section plane, the production cost is low, easy volume production, easy and characteristics and so on microstrip line integration, can obtain the single direction wide petal directional diagram, easy to realize, the double polarization dual range and so on multi-purpose work. These merits cause the microstrip antennas in approximately the 100MHz-100GHz broad frequency range, widely applies in includes the satellite communication, the radar, the remote sensing, the guided weapon as well as the portable wireless apparatus.The paper first reviewed microstrip antennas's history, introduced its structure, the good and bad points and the application, then have given microstrip antennas's several analysis method, including the transmission long-base method, the cavity modeling, the integral equation law and so on, and introduced the microstrip antennas circular polarization's principle and realizes the method as well as microstrip antennas's feed method. Then AnSoft Hfss in the creation of a single-fed circular polarization microstrip antenna and double-fed circular polarization microstrip antenna and double-fed circular polarization microstrip antenna, the analysis of the S11 and VSWR parameters, to draw a pattern. In order to achieve circular polarization, the axis carried on the optimization simulation, to a more satisfactory results.Key words：microstrip antenna；circular polarization; axial ratio目录摘要 (I)ABSTRACT (II)目录 (III)第一章绪论 (1)§1.1微带天线的发展 (1)§1.2微带天线的定义和结构 (1)§1.3微带天线的优缺点 (2)§1.4微带天线的应用 (3)第二章微带天线的原理技术 (4)§2.1微带天线的辐射机理 (4)§2.2微带天线的分析方法 (5)§2.2.1传输线模型法 (5)§2.2.2空腔模型法 (8)§2.2.3积分方程法 (8)§2.3微带天线的馈电方法 (9)§2.4微带天线圆极化技术 (10)§2.4.1圆极化天线的原理 (10)§2.4.2圆极化实现技术 (11)§2.5其他形式的微带天线 (15)第三章圆极化微带天线的仿真与优化 (19)§3.1A NSOFT HFSS高频仿真软件的介绍 (19)§3.2圆极化微带天线的仿真优化 (19)§3.2.1圆极化微带天线的仿真设计 (19)§3.2.2天线轴比的优化 (22)第四章双馈圆极化微带天线的设计 (25)§4.1两路微带等功率分配器的设计与仿真 (25)§4.2双馈圆极化微带天线的仿真分析 (29)§4.2.1创建天线模型 (29)§4.2.2 优化天线模型 (33)致谢 (37)参考文献 (37)第一章绪论§1.1微带天线的发展微带天线的概念早在1953年就已经提出了，但并未引起工程界的重视。

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. 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一种单频抗多路径效应的GPS圆极化微带天线

第３５卷
第２期
制导与引信
ＧＵＩＤＡＮＣＥ８ＬＦＵＺＥ
Ｖｏ１．３５ＮＯ．２
２０１４年６月
Ｊｕｎ．２０１４
文章编号：１６７１－０５７６（２０１４）０２ — ００４８－０４
ＺＨＡＮＧＹａ — ｌｉ，ＳＵＮＸｕ — ｂａｏ，ＬＩＵｓｈｕ — ｇｕｏ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳＵＳＴ，ＱｉｎｇｄａｏＳｈａｎｄｏｎｇ２６６５９０，Ｃｈｉｎａ）
ｔｉｏｎ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｐａｔｃｈ — ｓｌｏｔｔｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆａｎｔｅｎｎａ．Ｔｈｅｕｓｅｏｆ３Ｄ－ｃｈｏｋｅｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｅｌｉｍｉｎａｔｅｏｒｗｅａｋｅｎｔｈｅｍｕｌｔｉ — ｐａｔｈｅｆｆｅｃｔｓａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆ３Ｄｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ（ＥＭ）ｆｉｅｌｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

2014圆极化微带天线技术_赵云

圆极化微带天线技术赵云苏桦奚嘉舣崔博华（电子科技大学微固学院四川成都 610000）摘要：圆极化微带天线由于良好的电磁性能，抑制雨雾干扰和抗多径反射的能力，被广泛应用在通信、雷达、电子对抗、电视广播等领域。

简要论述圆极化的基本概念与实现条件，并介绍几种实现圆极化的方法。

最后展望一下圆极化微带天线的发展趋势。

关键词：微带天线；圆极化中图分类号：TN8 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0120010－010 引言来实现，比如在贴片表面切角，在圆形表面开槽等等；在单馈法设计中的难点是几何微扰的确定，即如何确定简并模分离元的大小、位置及恰当的微带天线由于具有剖面低、重量轻、体积小、易于共形和批量生产等馈点，以激发两正交相位差90°的简并模。

使用单馈法实现圆极化天线的优点，广泛应用于测量和通讯各个领域，而圆极化微带天线在当前的应用优点是无需外加的相移网络和功率分配器，结构简单，成本低，易于小型更加广泛。

圆极化微带天线在实际应用方面的主要优势有[1]：1）任意的化，但是它的缺点是带宽窄，这是由其高Q值的谐振本性决定的。

因此，极化电磁波均可分解为两个旋向相反的圆极化波，如对于线极化波来说，扩展这种天线的圆极化带宽的关键在于减小品质因数Q值。

可以分解为两个反向等幅的圆极化波。

因此，任意极化的电磁波均可被圆2.2 多馈法实现圆极化。

多馈法是由多个馈电点给微带天线馈电，由极化天线接收，而圆极化天线发射的电磁波则可被任意极化的天线接收馈电网络保证实现圆极化工作条件，这种结构通常可以得到与阻抗带宽相到，故电子侦察和干扰中普遍采用圆极化天线；2）在通信、雷达的极化当的圆极化带宽。

多馈法一般分为双馈点和四馈点两种方式，其中双馈点分集工作和电子对抗等应用中广泛利用圆极化天线的旋向正交性；3）圆方式利用功分器或电桥输出的两个幅度相等，相位相差90°的两支路对贴极化波入射到对称目标(如平面、球面等）时旋向逆转，所以圆极化天线片馈电，激发两个正交工作模式，达到圆极化工作条件。

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。

一种新型宽带圆极化微带天线的设计_田印炯

第33卷第5期杭州电子科技大学学报Vol．33，No．5 2013年10月Journal of Hangzhou Dianzi University Oct．2013 doi：10．3969/j．issn．1001－9146．2013．05－017一种新型宽带圆极化微带天线的设计田印炯，陈建，程忍(杭州电子科技大学天线与微波技术研究所，浙江杭州310018)摘要：该文设计了一种新型宽带圆极化微带天线。

该天线采用微带线进行馈电，在地板圆形开槽内加载一对矩形和椭圆组成的径向微扰枝节来获得圆极化，并切去一对圆弧形槽以降低圆极化的中心频率。

借助仿真软件HFSS对天线结构参数进行优化设计，并制作实物。

仿真与测试结果表明：回波损耗小于－10dB的阻抗带宽为12．5%，且在此频段内轴比均小于2dB。

关键词：微带天线；圆极化；宽带中图分类号：TN82文献标识码：A文章编号：1001－9146（2013）05－0062－040引言近年来，微带天线由于具有剖面低、重量轻、易于加工、结构简单、易于集成等优点，在无线通信、射频识别、雷达及卫星导航等领域获得了广泛应用。

圆极化微带天线因具有抑制雨雾干扰、抗多径反射、接收任意极化的来波且其辐射的圆极化波可以被任意极化的天线所接收等优点而越来越被重视［1］。

然而，传统的圆极化微带天线，圆极化带宽较窄，一般单层单点馈电的圆极化微带天线3dB轴比带宽只有3%左右［2］。

人们提出了许多方法来拓展微带天线的3dB轴比带宽［3－7］。

文献3、4采用双点或多点馈电的方法来拓展微带天线的3dB轴比带宽，但需要使用馈电网络来实现相位差，且结构过于复杂，增加了天线的高度，破坏了微带天线的低剖面性。

文献5给出了一种共面波导馈电的宽带圆极化天线，其接地板上开有方形缝隙，通过调节馈电微带线上两个长短不一的正交枝节，使天线的3dB轴比带宽达到了11．3%。

文献6、7采用微带线馈电，通过在地板上开不同形状的缝隙来实现宽带圆极化。

微带天线圆极化技术概述与进展

［)/］能之间折衷考虑。对圆形贴片，当槽的长度与半
图*
十字交叉耦合型（ +,)’’-’()&-+)./($0） 12345
径之比约为 . 5 9**，对应尺寸减小 *.7 时效果较好。其它形状天线可类比。 / 5 圆极化带宽一般不足这是其主要缺点。由于带宽窄，导致谐振频率 )7 ，和圆极化性能的调谐困难，制造公差要求高。8 5 馈点往贴片中心移动，输入电阻随之降低，电抗基本不
基金项目：国家自然科学基金资助项目（)""*!"’"）；上海市博士点建设基金资助项目
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第 >4 卷
表! 类型产生机理基于空腔模型理论，利用单馈法简并模分离元产生两个辐射正交极化的简并模工作
微带天线圆极化方法设计关键确定几何微扰，即选择简并模分离以及恰当的馈点馈线网络的精心设计优点无需外加的相移网络和功率分配本低，适合小型化可提高驻波比带馈电网络较复缺点带宽窄，极化性能较差
缺点是圆极化的实现依赖于两对槽长度的细微差异，对制造公差要求苛刻。在常规圆极化微带天线
［1］表面引入十字型槽能使天线小型化，但当尺寸减
小 2&3 以上时，由于贴片中心开槽、馈点接近中心而无法用探针馈电。
［4， 5］图 2 结构改进了上述天线。随槽的长度增
加，实现圆极化所需的切角（ +678+967:; ()<*）变大（分别示为 #7、，公差要求降低；贴片中心未开槽，馈 #;）点由中心到边缘可使输入阻抗从低到高获得良好匹配。相对于参考天线，两天线尺寸分别减小 0&3 ，但带宽（均为 & / 53 ）、增益都明显下降。另一 "13 ，方面，切角的加大会给频率的调谐带来负面影响。图 " 所示天线，表面开槽使尺寸减小 02 / =3 ，但

移动通信中的双向圆极化微带天线的设计

Journal of Antennas 天线学报, 2014, 3, 9-14Published Online June 2014 in Hans. /journal/ja/10.12677/ja.2014.32002Design on Bi-Directional CircularlyPolarized Microstrip Antenna forMobile CommunicationWei Liu, Min Wang, Wen WuSchool of Electronics and Optical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, NanjingEmail: wangmin@Received: Apr. 28th, 2014; revised: May 26th, 2014; accepted: Jun. 1st, 2014Copyright © 2014 by authors and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/AbstractA bi-directional and circularly polarized microstrip patch antenna is proposed for applications inthe long corridor environment. This antenna consists of two substrate layers, in which binary- element patch array is at the bottom and parasitic binary element array is on top layer. It is cen-ter-fed from the bottom layer. Firstly, the circular polarization is achieved by means of truncating corners. Secondly, the bi-direction pattern is realized with the nearly symmetrical current distri-bution. A bi-directional radiation pattern has been achieved at the center-frequency of 1.9 GHz.The relative impedance bandwidth is about 8.2%, while the axial ratio bandwidth is about 2.1% at maximum radiation direction. The gain is about 5.7 dBi.KeywordsMicrostrip Patch Antenna, Bi-Directional Radiation, Circularly Polarization移动通信中的双向圆极化微带天线的设计刘巍，汪敏，吴文南京理工大学电子工程与光电技术学院，南京Email: wangmin@收稿日期：2014年4月28日；修回日期：2014年5月26日；录用日期：2014年6月1日摘要本文设计了一种适用于狭长空间环境的双向圆极化微带天线。