宽带双极化微带天线中不同寄生单元的研究
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图 8显示 2端口 E 面极化方向图。正方形 - 正方 形、圆形 - 圆形、正方形 - 圆形、正方形 - 圆环 2端口 E 面交叉极化电平分别为 - 30 dB、- 30 dB、- 40 dB、
图 1 正方形 - 圆形天线结构示意图
本文选用 H FSS软件进行仿真。软件优化后的天 线结构参数为
状态, 3种天线结构, 如图 2所示。
E1 = 2. 2, E2 = 1. 08, E3 = 2. 2, E4 = 4. 2, h1 = 0. 254 mm, h2 = 4. 8 mm, h3 = 1. 524 mm, h4 = 0. 508 mm, w 1 = 1. 9 mm, w 2 = 1. 1 mm, L3 = 10. 4 mm, L4 = 13. 5 mm, R = 20. 1 mm, L4 = 13. 5 mm
( 2) 采用口径耦合的馈电方式。口径耦合的馈电 方式是 pozar在 1985年首次提出 [ 1] 。与其他馈电方式 相比, 其能够得到更大的带宽, 同时将辐射单元和馈电 网络分开, 减少了微带馈线对天线辐射元的干扰 [ 7] 。
宽带双极化微带天线工作性能的优劣很大程度上 取决于交叉极化、隔离度的抑制和宽带的实现。交叉 极化和隔离度的抑制目前主要采用的技术有:
# 天馈伺系统 #
李迎林, 等: 宽带双极化微带天 线中不同寄生单元的研究
2009, 31( 7)
输线模型中的公式 [ 7]
L= c
( 1)
2f 0 Eeff
Eeff =
E3 + 2
1 +
E3 2
1
1+
1 12h3 /L
( 2)
$L
=
0. 412h3
( Eeff + ( Eeff -
0. 300) (L /h3 + 0. 258) (L /h3 +
图 2 3种天线结构
2 理论分析
双极化微带天线是通过水平和垂直两个端口激励 起两种不同的模式实现水平极化和垂直极化的。之所 以辐射口径共用, 主要是为了减小天线的尺寸和减轻
) 75 )
2009, 31( 7)
现代雷达
天线的重量。反过来, 在忽 略两个极化端口之间 / 串 音 0的条件下, 也可以将双极化微带天 线等效为一个 水平激励的天线和一个垂直激励的天线, 这样便于分 析。以正方形 - 圆形为例, 仅分析水平端口, 垂直端口 与水平端口相同。
3 计算结果分析
图 4 双端口驻波特性
图 5 隔离度特性
图 6为 1端口 E 面的极化方向图。正方形 - 正方 形、圆形 - 圆形、正方形 - 圆形、正方形 - 圆环 1端口 E 面交叉极化电平分别为 - 39 dB、- 36 dB、- 40 dB、 - 40 dB, 在 0b时差距更明显。
图 4为 4种天线单元的双端口驻波特性。 VSWR < 2时, 正方形 - 正方形天线 1端口和 2端口阻抗带 宽为 29. 8% ( 4. 45 GH z~ 6 GH z)和 27. 9% ( 4. 45 GH z ~ 5. 9 GH z); 正方形 - 圆形天线 1端口和 2 端口阻抗 带宽分别为 28. 8% ( 4. 4 GH z~ 5. 9 GH z) 和 27. 9% ( 4. 4 GH z~ 5. 85 GH z); 圆形 - 圆形天线 1端口和 2 端口阻抗 带宽 为 29. 8% ( 4. 4 GH z~ 5. 9 5 GH z) 和 30. 8% ( 4. 4 GH z~ 6 GH z) ; 正方形 - 圆环天线 1端口 和 2端口阻抗带宽分别为 26. 9% ( 4. 5 GH z~ 5. 9 GH z) 和 25% ( 4. 5 GH z~ 5. 8 GH z)。对于宽带天线而言, 4种 天线带宽差距很小, 中心频都为 5. 2 GH z。
第 31卷 第 7期 2009年 7月
现代雷达 M odern R adar
V o.l 31 N o. 7 Ju ly 2009
# 天馈伺系统 #
中图分类号: TN 820
文献标识码: A
文章编号: 1004- 7859( 2009) 07- 0074- 04
宽带双极化微带天线中不同寄生单元的研究
李迎林, 李建新
图 5显示天线单元双端口隔离度特性。正方形 正方形天线在 4. 5 GH z~ 5. 5 GH z之间隔离度达到 -
) 76 )
图 6 1端口 E面极化方向图
图 7为 1端口 H 面极化方向图。正方形 - 正方 形、圆形 - 圆形、正方形 - 圆形、正方形 - 圆环 1端口 H 面交叉极化电平分别为 - 39 dB、- 35 dB、- 40 dB、 - 40 dB。
0引 言
微带天线自诞生至今, 已得到国内外众多学者的 深入研究。与此同时, 微带天线的应用也越来越广泛, 工程需求的技术指标也越来越高。因此, 对宽带双极 化微带天线的研究有着重要的理论和现实意义。
目前, 文献中常见的宽带双极化微带天线有 2个 显著特点:
( 1)多采用层叠结构, 寄生单元和主辐射单元形状 相同, 尺寸略微不同[ 2- 6] 。这样既保持了天线的良好对 称性, 有利于抑制交叉极化电平, 同时又便于调谐。
(南京电子技术研究所, 南京 210013)
摘要: 在层叠结构宽带双极化微带天线单元中, 常见的是寄生 单元和 主辐射单 元形状 相同, 尺寸略 微不同。 目前, 寄生单 元形状与主辐射 单元不同的宽带双极化微带天线结构极少有报道研究。文中提出了 2种新 型天线结构 和 2种常见 结构, 即正方形 - 圆形 、正方形 - 圆环、正方形 - 正方形、圆形 - 圆形 4种组合。计算结果表明 : 不同 的单元组合 , 得到 的天线电 性能不同, 新型结构与常见结构相比, 在隔离度和交叉极化电平等性能上较优。 关键词: 微带天线; 寄生单 元; 宽带; 隔离度; 交叉极化
E1、E2、E3、E4、h1、h2、h3、h4 分别为第 2、3、5、7层介 质板的介电常数和厚度, w 1、w 2、w 3、L1、L 2、L3、L4 分别 为馈线宽度、孔径宽度、开路枝节的宽度、孔径中心到 1端口的距离、开路线长、孔径长度、孔径中心到 2端 口的距离, R 为圆形贴片直径。
至此, 正方形 - 圆形天线单元设计完成。为了尽 可能便于对比分析, 其他 3种天线结构的介质板规格 完全相同, 馈线部分和耦合孔径 位置尺寸仅做微 调。 其中, 正方形 - 正方形、正方形 - 圆形、正方形 - 圆环 结构中正方形主辐射帖片尺寸完全相同, 尽可能多的 调谐寄生辐射帖片。最终将 4种天线都调至最佳匹配
0. 262) 0. 813)
( 3)
L = ( c / 2f0 Eeff ) - 2$L
( 4)
fmn = cVcmn / 2Pa E1
( 5)
a = ac11 + 2h ( ln( Pac/ 2h ) + 1. 772 6) /PacE1 21 /2
( 6)
式中: c、f 0、Eeff、$L 分别为真空中光速、天线工作中心 频率、等效介电常数、辐射边缘场的补偿尺寸。通过迭 代式 ( 1) ~ 式 ( 4)可以求出正方形贴片边长 L。 a为圆 形贴片的有效半径, Vmn为 Jcn ( x) 的第 m 个零点, 由于 圆形寄生贴片工作的主模为 TM 11模, 所以我们取 f11 = f 0, V11可以查表取 1. 841 2, 通过迭代式 ( 5)、式 ( 6 )可 求出圆形贴片物理半径 ac。
Ec ( J2 ) + E b (J 1 ) + Eb (M b ) = 0 在馈线上
Ea (M a ) + Ea (JF ) = 0
在口径上
H b (M b ) + H b ( J1 ) + H c (J 2 ) = H a (M a ) + H a ( JF )
这些边界条件通过选择测试函数和在谱域中采用 矩量法来实施 [ 7] , 解最后的积分方程可以得到未知的 电流分布, 进而得到天线辐射场的信息。
A Study on D ifferent Parasitic E lem ents of Dua-l polarized and W ide-bandM icrostrip P atch Antenna
L I Y ing- lin, L I Jian-x in ( Nan jing Research Inst itute o f E lectron ics T echnology, N an jing 210013, Ch ina)
wk.baidu.com
35. 5 dB, 圆形 - 圆形天线隔离度特性与正方形 - 正方 形相近。正方形 - 圆形、正方形 - 圆环两种新型天线 隔离度特性明显较好, 带内优于 - 40 dB。
图 3 电磁等效
如图 3所示, 将原始问题转化为等效问题。此时, 口径被理想导体板代替, J1 为正方形帖片上的感应电 流, J2 为圆形寄生帖片上的感应电流, JF 为馈线上的 激励电流, M a 和 M b 分别为等效磁流, 由于口径上切 向电场分量连续, 所以 M a 与 M b 大小相等, 方向相反。 根据边界条件可得, 在传导路径上
Abstrac t: In the stacked broadband and dua -l po la rizedm icro strip antennas, the comm on struc ture is such that the shape o f the paras itic and the m a in e lem ents a re the sam e and their size is a little different. A t presen t, the stacked struc ture w ith two rada tion e lem ents of d ifferent shapes hasn t' been reported and stud ied. In th is paper, tw o nove l antennas and two common antennas are proposed: square-square, circu la r- circu la r, square-c iucu lar, square- ring type . F rom results o f sim ulation, w e see: different com bina tion has d ifferent per fo rm ance. T he nove l struc tures are bette r than the common ones in term s of iso lation betw een two ports and purity of po lar ization. K ey word s: m icrostrip antenna; paras itic e lem ent; bandw idth; iso lation; c ross-po lariza tion
1 天线的设计与仿真
本文仅给出正方形 - 圆形天线结构设计过程, 其他 3 种天线单元结构只给出示意图和最终设计参数, 如图 1 所示, 把天线主体剖分为 8层, 第 1层和第 4层分别为圆 形寄生贴片和正方形主辐射贴片。第 2、3、5、7层为介质 层。第 6层为接地面, 其上面开有 2个正交的矩形孔径, 馈线通过孔径耦合能量。第 8层为馈电层。天线第 2、5 层介质板选用 Duro id 5880, 第 3层介质板选用泡沫, 第 7 层介质板选用陶瓷板, 工作中心频率为 5. 2GH z, 依据传
通信作者: 李迎林 收稿日期: 2009-02-18
) 74 )
Ema i:l liy ing lin666@ sina. com 修订日期: 2009-05-19
( 1) 保持天线单元和馈电位置的良好对称性; ( 2) 采用错位倒相馈电技术; ( 3) 采用光子晶体结构 [ 8] 。 受加工技术的制约, 对于单元, 最方便有效的莫过 于第一点。那么, 有没有其他的对称结构的单元能够 实现很好的交叉极化和隔离度特性呢? 本文做了一些 有益的尝试。 计算结果表明新型天线与常见天线相比, 具有较 优的电性能, 尤其在隔离度和交叉极化性能上, 具有重 要工程应用前景。
图 1 正方形 - 圆形天线结构示意图
本文选用 H FSS软件进行仿真。软件优化后的天 线结构参数为
状态, 3种天线结构, 如图 2所示。
E1 = 2. 2, E2 = 1. 08, E3 = 2. 2, E4 = 4. 2, h1 = 0. 254 mm, h2 = 4. 8 mm, h3 = 1. 524 mm, h4 = 0. 508 mm, w 1 = 1. 9 mm, w 2 = 1. 1 mm, L3 = 10. 4 mm, L4 = 13. 5 mm, R = 20. 1 mm, L4 = 13. 5 mm
( 2) 采用口径耦合的馈电方式。口径耦合的馈电 方式是 pozar在 1985年首次提出 [ 1] 。与其他馈电方式 相比, 其能够得到更大的带宽, 同时将辐射单元和馈电 网络分开, 减少了微带馈线对天线辐射元的干扰 [ 7] 。
宽带双极化微带天线工作性能的优劣很大程度上 取决于交叉极化、隔离度的抑制和宽带的实现。交叉 极化和隔离度的抑制目前主要采用的技术有:
# 天馈伺系统 #
李迎林, 等: 宽带双极化微带天 线中不同寄生单元的研究
2009, 31( 7)
输线模型中的公式 [ 7]
L= c
( 1)
2f 0 Eeff
Eeff =
E3 + 2
1 +
E3 2
1
1+
1 12h3 /L
( 2)
$L
=
0. 412h3
( Eeff + ( Eeff -
0. 300) (L /h3 + 0. 258) (L /h3 +
图 2 3种天线结构
2 理论分析
双极化微带天线是通过水平和垂直两个端口激励 起两种不同的模式实现水平极化和垂直极化的。之所 以辐射口径共用, 主要是为了减小天线的尺寸和减轻
) 75 )
2009, 31( 7)
现代雷达
天线的重量。反过来, 在忽 略两个极化端口之间 / 串 音 0的条件下, 也可以将双极化微带天 线等效为一个 水平激励的天线和一个垂直激励的天线, 这样便于分 析。以正方形 - 圆形为例, 仅分析水平端口, 垂直端口 与水平端口相同。
3 计算结果分析
图 4 双端口驻波特性
图 5 隔离度特性
图 6为 1端口 E 面的极化方向图。正方形 - 正方 形、圆形 - 圆形、正方形 - 圆形、正方形 - 圆环 1端口 E 面交叉极化电平分别为 - 39 dB、- 36 dB、- 40 dB、 - 40 dB, 在 0b时差距更明显。
图 4为 4种天线单元的双端口驻波特性。 VSWR < 2时, 正方形 - 正方形天线 1端口和 2端口阻抗带 宽为 29. 8% ( 4. 45 GH z~ 6 GH z)和 27. 9% ( 4. 45 GH z ~ 5. 9 GH z); 正方形 - 圆形天线 1端口和 2 端口阻抗 带宽分别为 28. 8% ( 4. 4 GH z~ 5. 9 GH z) 和 27. 9% ( 4. 4 GH z~ 5. 85 GH z); 圆形 - 圆形天线 1端口和 2 端口阻抗 带宽 为 29. 8% ( 4. 4 GH z~ 5. 9 5 GH z) 和 30. 8% ( 4. 4 GH z~ 6 GH z) ; 正方形 - 圆环天线 1端口 和 2端口阻抗带宽分别为 26. 9% ( 4. 5 GH z~ 5. 9 GH z) 和 25% ( 4. 5 GH z~ 5. 8 GH z)。对于宽带天线而言, 4种 天线带宽差距很小, 中心频都为 5. 2 GH z。
第 31卷 第 7期 2009年 7月
现代雷达 M odern R adar
V o.l 31 N o. 7 Ju ly 2009
# 天馈伺系统 #
中图分类号: TN 820
文献标识码: A
文章编号: 1004- 7859( 2009) 07- 0074- 04
宽带双极化微带天线中不同寄生单元的研究
李迎林, 李建新
图 5显示天线单元双端口隔离度特性。正方形 正方形天线在 4. 5 GH z~ 5. 5 GH z之间隔离度达到 -
) 76 )
图 6 1端口 E面极化方向图
图 7为 1端口 H 面极化方向图。正方形 - 正方 形、圆形 - 圆形、正方形 - 圆形、正方形 - 圆环 1端口 H 面交叉极化电平分别为 - 39 dB、- 35 dB、- 40 dB、 - 40 dB。
0引 言
微带天线自诞生至今, 已得到国内外众多学者的 深入研究。与此同时, 微带天线的应用也越来越广泛, 工程需求的技术指标也越来越高。因此, 对宽带双极 化微带天线的研究有着重要的理论和现实意义。
目前, 文献中常见的宽带双极化微带天线有 2个 显著特点:
( 1)多采用层叠结构, 寄生单元和主辐射单元形状 相同, 尺寸略微不同[ 2- 6] 。这样既保持了天线的良好对 称性, 有利于抑制交叉极化电平, 同时又便于调谐。
(南京电子技术研究所, 南京 210013)
摘要: 在层叠结构宽带双极化微带天线单元中, 常见的是寄生 单元和 主辐射单 元形状 相同, 尺寸略 微不同。 目前, 寄生单 元形状与主辐射 单元不同的宽带双极化微带天线结构极少有报道研究。文中提出了 2种新 型天线结构 和 2种常见 结构, 即正方形 - 圆形 、正方形 - 圆环、正方形 - 正方形、圆形 - 圆形 4种组合。计算结果表明 : 不同 的单元组合 , 得到 的天线电 性能不同, 新型结构与常见结构相比, 在隔离度和交叉极化电平等性能上较优。 关键词: 微带天线; 寄生单 元; 宽带; 隔离度; 交叉极化
E1、E2、E3、E4、h1、h2、h3、h4 分别为第 2、3、5、7层介 质板的介电常数和厚度, w 1、w 2、w 3、L1、L 2、L3、L4 分别 为馈线宽度、孔径宽度、开路枝节的宽度、孔径中心到 1端口的距离、开路线长、孔径长度、孔径中心到 2端 口的距离, R 为圆形贴片直径。
至此, 正方形 - 圆形天线单元设计完成。为了尽 可能便于对比分析, 其他 3种天线结构的介质板规格 完全相同, 馈线部分和耦合孔径 位置尺寸仅做微 调。 其中, 正方形 - 正方形、正方形 - 圆形、正方形 - 圆环 结构中正方形主辐射帖片尺寸完全相同, 尽可能多的 调谐寄生辐射帖片。最终将 4种天线都调至最佳匹配
0. 262) 0. 813)
( 3)
L = ( c / 2f0 Eeff ) - 2$L
( 4)
fmn = cVcmn / 2Pa E1
( 5)
a = ac11 + 2h ( ln( Pac/ 2h ) + 1. 772 6) /PacE1 21 /2
( 6)
式中: c、f 0、Eeff、$L 分别为真空中光速、天线工作中心 频率、等效介电常数、辐射边缘场的补偿尺寸。通过迭 代式 ( 1) ~ 式 ( 4)可以求出正方形贴片边长 L。 a为圆 形贴片的有效半径, Vmn为 Jcn ( x) 的第 m 个零点, 由于 圆形寄生贴片工作的主模为 TM 11模, 所以我们取 f11 = f 0, V11可以查表取 1. 841 2, 通过迭代式 ( 5)、式 ( 6 )可 求出圆形贴片物理半径 ac。
Ec ( J2 ) + E b (J 1 ) + Eb (M b ) = 0 在馈线上
Ea (M a ) + Ea (JF ) = 0
在口径上
H b (M b ) + H b ( J1 ) + H c (J 2 ) = H a (M a ) + H a ( JF )
这些边界条件通过选择测试函数和在谱域中采用 矩量法来实施 [ 7] , 解最后的积分方程可以得到未知的 电流分布, 进而得到天线辐射场的信息。
A Study on D ifferent Parasitic E lem ents of Dua-l polarized and W ide-bandM icrostrip P atch Antenna
L I Y ing- lin, L I Jian-x in ( Nan jing Research Inst itute o f E lectron ics T echnology, N an jing 210013, Ch ina)
wk.baidu.com
35. 5 dB, 圆形 - 圆形天线隔离度特性与正方形 - 正方 形相近。正方形 - 圆形、正方形 - 圆环两种新型天线 隔离度特性明显较好, 带内优于 - 40 dB。
图 3 电磁等效
如图 3所示, 将原始问题转化为等效问题。此时, 口径被理想导体板代替, J1 为正方形帖片上的感应电 流, J2 为圆形寄生帖片上的感应电流, JF 为馈线上的 激励电流, M a 和 M b 分别为等效磁流, 由于口径上切 向电场分量连续, 所以 M a 与 M b 大小相等, 方向相反。 根据边界条件可得, 在传导路径上
Abstrac t: In the stacked broadband and dua -l po la rizedm icro strip antennas, the comm on struc ture is such that the shape o f the paras itic and the m a in e lem ents a re the sam e and their size is a little different. A t presen t, the stacked struc ture w ith two rada tion e lem ents of d ifferent shapes hasn t' been reported and stud ied. In th is paper, tw o nove l antennas and two common antennas are proposed: square-square, circu la r- circu la r, square-c iucu lar, square- ring type . F rom results o f sim ulation, w e see: different com bina tion has d ifferent per fo rm ance. T he nove l struc tures are bette r than the common ones in term s of iso lation betw een two ports and purity of po lar ization. K ey word s: m icrostrip antenna; paras itic e lem ent; bandw idth; iso lation; c ross-po lariza tion
1 天线的设计与仿真
本文仅给出正方形 - 圆形天线结构设计过程, 其他 3 种天线单元结构只给出示意图和最终设计参数, 如图 1 所示, 把天线主体剖分为 8层, 第 1层和第 4层分别为圆 形寄生贴片和正方形主辐射贴片。第 2、3、5、7层为介质 层。第 6层为接地面, 其上面开有 2个正交的矩形孔径, 馈线通过孔径耦合能量。第 8层为馈电层。天线第 2、5 层介质板选用 Duro id 5880, 第 3层介质板选用泡沫, 第 7 层介质板选用陶瓷板, 工作中心频率为 5. 2GH z, 依据传
通信作者: 李迎林 收稿日期: 2009-02-18
) 74 )
Ema i:l liy ing lin666@ sina. com 修订日期: 2009-05-19
( 1) 保持天线单元和馈电位置的良好对称性; ( 2) 采用错位倒相馈电技术; ( 3) 采用光子晶体结构 [ 8] 。 受加工技术的制约, 对于单元, 最方便有效的莫过 于第一点。那么, 有没有其他的对称结构的单元能够 实现很好的交叉极化和隔离度特性呢? 本文做了一些 有益的尝试。 计算结果表明新型天线与常见天线相比, 具有较 优的电性能, 尤其在隔离度和交叉极化性能上, 具有重 要工程应用前景。