一种新型宽带微带缝隙天线的设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
天 线 3 ： 主 臂 宽 度 w1=0.40 mm ， 槽 线 宽 度 w3=0.50 mm，共面波导特性阻抗为100 Ω，匹配带宽 有33.90%(VSWR<2)。
各个参数具体的变化和仿真计算结果见图2和 表1所示。
2.0
在此基础上，改进馈电结构，采用共面波导馈
电，固定缝隙尺寸w×l=(19.60 mm×19.60 mm)。由于
1.0 4
天线 1 天线 2 天线 3 参考天线
6
8
10
频率/GHz
图2 四种天线的驻波比比较
表1 四种天线的尺寸及频带比较
参考天线 天线1 天线2 天线3
l1/mm — 8.80 4.62 2.35
l2/mm — 5.00 2.02 6.25
w1/mm — 3.00 1.20 0.40
w2/mm —
5.00
仿真 实测 60
90 仿真 实测 60
90
增益/dB
4.00
电压驻波 比
3.00
2.00
1.00 2.00
4.00
6.00
8.00 10.00
频率/GHz
图10 实测驻波比曲线
12.00
3结论
经过仿真和实验可以看出，采用叉状分支共面 波导馈电是可以实现的一种展宽矩形缝隙天线频带 的有效途径。这种结构馈电电路和缝隙共面，结构 简单，加工误差小。但是这种结构比较复杂，不利 于较大阵列的集成[8]。
(Missile Institute, Air Force Engineering University Sanyuan Shaanxi 713800)
Abstract Based on the conventional construction of microstrip slot antenna, a new wide band rectangle microstrip slot antenna is designed, which is fed by coplanar waveguide (CPW) with fork-like microstrip lines. The impedance of CPW line is 100 Ω. The antenna is matched better through adjusting the dimensions of chief-arm and side-arms and the width of slot lines in feeding net. The results of simulation and test show that 67.60% bandwidth (VSWR<2) can be obtained at the center frequency of 7.00 GHz.
图3 天线实物图
对驻波比以及三个频点(f1=6.50 GHz，f0= 7.00 GHz，f2=7.50 GHz)的E面和H面的方向图进行了 实验测试，结果如图4～图10所示。由于缝隙天线的 前后向方向图基本对称，因此本文只给出了前向方 向图。
第5期
高向军 等: 一种新型宽带微带缝隙天线的设计
885
宽度以满足要求。 天线 1：主臂宽度w1=3.00 mm，槽线宽度w3=
2.00 mm，共面波导特性阻抗为100 Ω，匹配带宽仅 有7.70%(VSWR<2)。
天线 2：主臂宽度w1=1.20 mm，槽线宽度w3= 0.80 mm，共面波导特性阻抗为100 Ω，匹配带宽达 到67.90%(VSWR<2)。
Key words coplanar waveguide; microstrip; slot antenna; wide-slot
从微带天线的概念提出以来，由于它剖面薄、 重量轻、可与载体共形、易与有源器件集成等优点， 已经被广泛地应用于卫星通信、导航等领域[1-2]。但 是，微带天线频带较窄的突出缺点又限制了它的实 际应用。目前在高频应用上，采用更多的是微带缝 隙天线，它具有对加工精度要求低，可用标准的光 刻技术在敷铜电路板上进行生产的优点，尤其是微 带宽缝天线更是有效地拓宽了频带[3]。目前缝隙天 线(包括波导缝隙天线)已被广泛地应用于无线移动 通信天线[4-6]以及卫星直播电视天线[7]等领域。本文 提出了一种采用叉状分支共面波导馈电的新型矩形 宽缝天线，在改变缝隙尺寸、馈点位置、叉状结构 中主、侧臂尺寸以及共面波导特性阻抗的情况下， 可以获得良好匹配。通过仿真计算及实验测试，这 种结构的宽缝天线，工作于7.00 GHz时，频带达到 了67.60%，电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio， VSWR)小于2。
介质基片 缝隙
分支
主臂 槽线
w w1
w2
l2
l
l1
w3
图1 微带缝隙天线结构
主臂和分支均为同一特性阻抗的微带线，通过 调整矩形缝尺寸、主臂长度l1、分支长度l2、两侧臂 间距w2以及槽线宽度w3可以得到较好的匹配。由于 缝隙所在地面的边沿存在较强的绕射场，所以适当
收稿日期：2006 − 06 − 29 作者简介：(1979 − )，男，博士生, 主要从事电磁散射与辐射、无线技术方面的研究.
10.00 3.96 6.88
w3/mm — 2.00 0.80 0.50
fL/GHz 6.26 6.75 4.90 5.96
fH/GHz 7.78 7.29 9.65 8.33
带宽/GHz 1.53 0.54 4.75 2.37
可见，在共面波导特性阻抗始终保持100 Ω的前 提下，通过改变分支特性阻抗和两分支间距以及主 臂长度可以较明显地得到最佳匹配。当然，改变缝 隙宽度w同样对匹配有一定的影响，但经过计算发现 这样的影响不是很大，所以令其固定不变，与缝隙 长度一致。
0
仿真
0源自文库
330
30
实测
−5
增益/d B
−10
−15 300
60
−20
−25
−30 270
90
图5 H面方向图(f1=6.50 GHz)
0
0
330
−5
仿真
30
实测
增益/d B
−10
−15 300
60
−20 −25
−30 270
90
图6 E面方向图(f0=7.00 GHz)
0
0
330
仿真
30
实测
−5
增益/d B
第 36 卷 第 5 期 2007 年 10 月
电子科技大学学报 Journal of University of Electronic Science and Technology of China
Vol.36 No.5 Oct. 2007
一种新型宽带微带缝隙天线的设计
高向军，王光明，朱 莉，梁建刚
槽线宽度和微带线宽度决定了共面波导的特性阻
电压驻波比
抗，因此取槽线宽度初始值为2.00 mm，微带线宽度
1.5
为3.00 mm，这样使共面波导特性阻抗z0同样为 100 Ω。这样相对于参考天线而言就增加了主臂宽度 w1，两分支间距w2，槽线宽度w3以及分支长度l2四个 可变参数。在仿真优化过程中可以通过调整分支的 特性阻抗来获得最佳匹配，但这样势必会改变共面 波导的特性阻抗，因此为了始终保证共面波导的特
关 键 词 共面波导; 微带; 缝隙天线; 宽缝
中图分类号 TN015
文献标识码 A
A New Method to Design a Wide Band Microstrip Slot Antenna
GAO Xiang-jun，WANG Guang-ming，ZHU Li，LIANG Jian-gang
2.2 实验结果分析 根据仿真结果，选择天线2进行实验，天线实物
如图3所示。为了实验测试，利用一个阻抗变换枝节 以匹配到50 Ω。取介质基片εr =2.65，h=1.50 mm， 矩形缝隙尺寸w×l= (19.60 mm×19.60 mm)，l1=5.60 mm，l2=16.82 mm，w1=1.20 mm，w2=3.96 mm， w3=0.80 mm，共面波导特性阻抗为100 Ω。
目前，对缝隙天线的理论分析和数值计算主要 有两种：(1) 针对窄缝天线，主要采用磁流振子等效 微带窄缝(由于宽缝中场的复杂性，这种方法对宽缝 微带天线不适用)，然后用格林函数法及矩量法进行 分析[9]，或是采用时域有限差分法分析[10]；(2) 针对 宽缝天线，采用时域有限差分法分析[10]，选择高斯 脉冲作为激励信号，采用Mur的二阶吸收边界。对 于复杂馈电的宽缝天线还有待于做更深入的研究。
(空军工程大学导弹学院 陕西 三原 713800)
【摘要】在传统结构微带缝隙天线的基础上，设计了一种采用叉状分支共面波导馈电的宽带微带矩形缝隙天线。在保证
共面波导特性阻抗始终为100 Ω的前提下，通过调整馈电结构中主臂和分支的尺寸以及槽线宽度可以获得较好的匹配。仿真和
实验测试表明，该新型宽带微带矩形缝隙天线工作于7.00 GHz时，匹配带宽达到了67.60%，电压驻波比小于2。
884
电子科技大学学报
第 36 卷
选择介质基片大小，可以获得较好的远场方向图。 性阻抗为100 Ω，可以综合调整槽线宽度和微带馈线
2 结果分析
2.1 仿真结果分析 基于HFSS三维场仿真软件，分别对参考矩形缝
隙天线和叉形共面波导馈电的矩形宽缝天线进行了 仿真计算。两种天线采用相同介质基片(εr =2.65， h=1.50 mm)。参考矩形缝隙天线结构简单，可变参 数有缝隙尺寸，馈线的特性阻抗z0以及馈线终端与 缝隙中心的相对位置。本文利用100 Ω开路微带线馈 电，经过多次优化计算，缝隙尺寸w×l=(14.20 mm× 14.20 mm)，馈线终端偏离缝隙中心1.50 mm，最佳 匹配带宽在工作于7.00 GHz时达到21.80%(VSWR <2)。
比较实验结果和仿真结果可以看出，采用叉状
分支共面波导馈电使矩形缝隙天线频带大大展宽，
在 中 心 频 率 为 7.00 GHz 时 ， 带 宽 达 到 了 67.60% (VSWR<2)。在方向图实验结果中，E面和H面因为 均出现了不同程度的花瓣。出现这种情况是因为：
(1) 宽缝天线缝内场分布不均匀；(2) 介质基片尺寸 有限存在边沿绕射场的影响；(3) 实验测试过程中周 围环境的影响。随着测试频率的升高，交叉极化也
会随之增大，而且当测试频率大于7.80 GHz时，实 验结果中的方向图主瓣均出现了不同程度的分裂，
这主要是由于在阻抗匹配带宽内，随着频率的升高，
出现了一些不希望的高次模恶化了辐射方向图。
0
0
330
−5
30
仿真
实测
−10
−15 300
60
增益/dB
−20
−25
−30
270
90
图4 E面方向图(f1=6.50 GHz)
−10
300 −15
60
−20
−25
−30 270
90
图7 H面方向图(f0=7.00 GHz)
增益/dB
0
0
330
30
−5
−10 −15 300
−20
−25
−30 270
图8
0 −5
E面方向图( f2=7.50 GHz)
0
330
30
−10 −15 300
−20
−25
−30 270
图9 H面方向图(f2=7.50 GHz)
(下转第895页)
1 天线结构设计
常见的矩形缝隙天线(本文称其为参考天线)是
在基片的一面开一方缝，在基片的另一面利用开路 微带线馈电。通过调整微带线终端与缝隙中心的相 对位置以及缝隙尺寸来获得最佳匹配。微带缝隙天 线根据缝隙宽度可分为宽缝(缝宽和波长可比)和窄 缝(缝宽远小于波长)天线，宽缝天线相对窄缝天线而 言具有频带宽的突出优点。本文给出一种采用共面 波导馈电的矩形宽缝天线，结构如图1所示。
各个参数具体的变化和仿真计算结果见图2和 表1所示。
2.0
在此基础上，改进馈电结构，采用共面波导馈
电，固定缝隙尺寸w×l=(19.60 mm×19.60 mm)。由于
1.0 4
天线 1 天线 2 天线 3 参考天线
6
8
10
频率/GHz
图2 四种天线的驻波比比较
表1 四种天线的尺寸及频带比较
参考天线 天线1 天线2 天线3
l1/mm — 8.80 4.62 2.35
l2/mm — 5.00 2.02 6.25
w1/mm — 3.00 1.20 0.40
w2/mm —
5.00
仿真 实测 60
90 仿真 实测 60
90
增益/dB
4.00
电压驻波 比
3.00
2.00
1.00 2.00
4.00
6.00
8.00 10.00
频率/GHz
图10 实测驻波比曲线
12.00
3结论
经过仿真和实验可以看出，采用叉状分支共面 波导馈电是可以实现的一种展宽矩形缝隙天线频带 的有效途径。这种结构馈电电路和缝隙共面，结构 简单，加工误差小。但是这种结构比较复杂，不利 于较大阵列的集成[8]。
(Missile Institute, Air Force Engineering University Sanyuan Shaanxi 713800)
Abstract Based on the conventional construction of microstrip slot antenna, a new wide band rectangle microstrip slot antenna is designed, which is fed by coplanar waveguide (CPW) with fork-like microstrip lines. The impedance of CPW line is 100 Ω. The antenna is matched better through adjusting the dimensions of chief-arm and side-arms and the width of slot lines in feeding net. The results of simulation and test show that 67.60% bandwidth (VSWR<2) can be obtained at the center frequency of 7.00 GHz.
图3 天线实物图
对驻波比以及三个频点(f1=6.50 GHz，f0= 7.00 GHz，f2=7.50 GHz)的E面和H面的方向图进行了 实验测试，结果如图4～图10所示。由于缝隙天线的 前后向方向图基本对称，因此本文只给出了前向方 向图。
第5期
高向军 等: 一种新型宽带微带缝隙天线的设计
885
宽度以满足要求。 天线 1：主臂宽度w1=3.00 mm，槽线宽度w3=
2.00 mm，共面波导特性阻抗为100 Ω，匹配带宽仅 有7.70%(VSWR<2)。
天线 2：主臂宽度w1=1.20 mm，槽线宽度w3= 0.80 mm，共面波导特性阻抗为100 Ω，匹配带宽达 到67.90%(VSWR<2)。
Key words coplanar waveguide; microstrip; slot antenna; wide-slot
从微带天线的概念提出以来，由于它剖面薄、 重量轻、可与载体共形、易与有源器件集成等优点， 已经被广泛地应用于卫星通信、导航等领域[1-2]。但 是，微带天线频带较窄的突出缺点又限制了它的实 际应用。目前在高频应用上，采用更多的是微带缝 隙天线，它具有对加工精度要求低，可用标准的光 刻技术在敷铜电路板上进行生产的优点，尤其是微 带宽缝天线更是有效地拓宽了频带[3]。目前缝隙天 线(包括波导缝隙天线)已被广泛地应用于无线移动 通信天线[4-6]以及卫星直播电视天线[7]等领域。本文 提出了一种采用叉状分支共面波导馈电的新型矩形 宽缝天线，在改变缝隙尺寸、馈点位置、叉状结构 中主、侧臂尺寸以及共面波导特性阻抗的情况下， 可以获得良好匹配。通过仿真计算及实验测试，这 种结构的宽缝天线，工作于7.00 GHz时，频带达到 了67.60%，电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio， VSWR)小于2。
介质基片 缝隙
分支
主臂 槽线
w w1
w2
l2
l
l1
w3
图1 微带缝隙天线结构
主臂和分支均为同一特性阻抗的微带线，通过 调整矩形缝尺寸、主臂长度l1、分支长度l2、两侧臂 间距w2以及槽线宽度w3可以得到较好的匹配。由于 缝隙所在地面的边沿存在较强的绕射场，所以适当
收稿日期：2006 − 06 − 29 作者简介：(1979 − )，男，博士生, 主要从事电磁散射与辐射、无线技术方面的研究.
10.00 3.96 6.88
w3/mm — 2.00 0.80 0.50
fL/GHz 6.26 6.75 4.90 5.96
fH/GHz 7.78 7.29 9.65 8.33
带宽/GHz 1.53 0.54 4.75 2.37
可见，在共面波导特性阻抗始终保持100 Ω的前 提下，通过改变分支特性阻抗和两分支间距以及主 臂长度可以较明显地得到最佳匹配。当然，改变缝 隙宽度w同样对匹配有一定的影响，但经过计算发现 这样的影响不是很大，所以令其固定不变，与缝隙 长度一致。
0
仿真
0源自文库
330
30
实测
−5
增益/d B
−10
−15 300
60
−20
−25
−30 270
90
图5 H面方向图(f1=6.50 GHz)
0
0
330
−5
仿真
30
实测
增益/d B
−10
−15 300
60
−20 −25
−30 270
90
图6 E面方向图(f0=7.00 GHz)
0
0
330
仿真
30
实测
−5
增益/d B
第 36 卷 第 5 期 2007 年 10 月
电子科技大学学报 Journal of University of Electronic Science and Technology of China
Vol.36 No.5 Oct. 2007
一种新型宽带微带缝隙天线的设计
高向军，王光明，朱 莉，梁建刚
槽线宽度和微带线宽度决定了共面波导的特性阻
电压驻波比
抗，因此取槽线宽度初始值为2.00 mm，微带线宽度
1.5
为3.00 mm，这样使共面波导特性阻抗z0同样为 100 Ω。这样相对于参考天线而言就增加了主臂宽度 w1，两分支间距w2，槽线宽度w3以及分支长度l2四个 可变参数。在仿真优化过程中可以通过调整分支的 特性阻抗来获得最佳匹配，但这样势必会改变共面 波导的特性阻抗，因此为了始终保证共面波导的特
关 键 词 共面波导; 微带; 缝隙天线; 宽缝
中图分类号 TN015
文献标识码 A
A New Method to Design a Wide Band Microstrip Slot Antenna
GAO Xiang-jun，WANG Guang-ming，ZHU Li，LIANG Jian-gang
2.2 实验结果分析 根据仿真结果，选择天线2进行实验，天线实物
如图3所示。为了实验测试，利用一个阻抗变换枝节 以匹配到50 Ω。取介质基片εr =2.65，h=1.50 mm， 矩形缝隙尺寸w×l= (19.60 mm×19.60 mm)，l1=5.60 mm，l2=16.82 mm，w1=1.20 mm，w2=3.96 mm， w3=0.80 mm，共面波导特性阻抗为100 Ω。
目前，对缝隙天线的理论分析和数值计算主要 有两种：(1) 针对窄缝天线，主要采用磁流振子等效 微带窄缝(由于宽缝中场的复杂性，这种方法对宽缝 微带天线不适用)，然后用格林函数法及矩量法进行 分析[9]，或是采用时域有限差分法分析[10]；(2) 针对 宽缝天线，采用时域有限差分法分析[10]，选择高斯 脉冲作为激励信号，采用Mur的二阶吸收边界。对 于复杂馈电的宽缝天线还有待于做更深入的研究。
(空军工程大学导弹学院 陕西 三原 713800)
【摘要】在传统结构微带缝隙天线的基础上，设计了一种采用叉状分支共面波导馈电的宽带微带矩形缝隙天线。在保证
共面波导特性阻抗始终为100 Ω的前提下，通过调整馈电结构中主臂和分支的尺寸以及槽线宽度可以获得较好的匹配。仿真和
实验测试表明，该新型宽带微带矩形缝隙天线工作于7.00 GHz时，匹配带宽达到了67.60%，电压驻波比小于2。
884
电子科技大学学报
第 36 卷
选择介质基片大小，可以获得较好的远场方向图。 性阻抗为100 Ω，可以综合调整槽线宽度和微带馈线
2 结果分析
2.1 仿真结果分析 基于HFSS三维场仿真软件，分别对参考矩形缝
隙天线和叉形共面波导馈电的矩形宽缝天线进行了 仿真计算。两种天线采用相同介质基片(εr =2.65， h=1.50 mm)。参考矩形缝隙天线结构简单，可变参 数有缝隙尺寸，馈线的特性阻抗z0以及馈线终端与 缝隙中心的相对位置。本文利用100 Ω开路微带线馈 电，经过多次优化计算，缝隙尺寸w×l=(14.20 mm× 14.20 mm)，馈线终端偏离缝隙中心1.50 mm，最佳 匹配带宽在工作于7.00 GHz时达到21.80%(VSWR <2)。
比较实验结果和仿真结果可以看出，采用叉状
分支共面波导馈电使矩形缝隙天线频带大大展宽，
在 中 心 频 率 为 7.00 GHz 时 ， 带 宽 达 到 了 67.60% (VSWR<2)。在方向图实验结果中，E面和H面因为 均出现了不同程度的花瓣。出现这种情况是因为：
(1) 宽缝天线缝内场分布不均匀；(2) 介质基片尺寸 有限存在边沿绕射场的影响；(3) 实验测试过程中周 围环境的影响。随着测试频率的升高，交叉极化也
会随之增大，而且当测试频率大于7.80 GHz时，实 验结果中的方向图主瓣均出现了不同程度的分裂，
这主要是由于在阻抗匹配带宽内，随着频率的升高，
出现了一些不希望的高次模恶化了辐射方向图。
0
0
330
−5
30
仿真
实测
−10
−15 300
60
增益/dB
−20
−25
−30
270
90
图4 E面方向图(f1=6.50 GHz)
−10
300 −15
60
−20
−25
−30 270
90
图7 H面方向图(f0=7.00 GHz)
增益/dB
0
0
330
30
−5
−10 −15 300
−20
−25
−30 270
图8
0 −5
E面方向图( f2=7.50 GHz)
0
330
30
−10 −15 300
−20
−25
−30 270
图9 H面方向图(f2=7.50 GHz)
(下转第895页)
1 天线结构设计
常见的矩形缝隙天线(本文称其为参考天线)是
在基片的一面开一方缝，在基片的另一面利用开路 微带线馈电。通过调整微带线终端与缝隙中心的相 对位置以及缝隙尺寸来获得最佳匹配。微带缝隙天 线根据缝隙宽度可分为宽缝(缝宽和波长可比)和窄 缝(缝宽远小于波长)天线，宽缝天线相对窄缝天线而 言具有频带宽的突出优点。本文给出一种采用共面 波导馈电的矩形宽缝天线，结构如图1所示。