双极化混合馈电微带贴片天线

合集下载

双极化混合馈电微带贴片天线

双极化混合馈电微带贴片天线安婷婷1张文梅1(山西大学物理电子工程学院，太原030006)1摘要：提出了一种新型的双极化混合馈电微带贴片天线，天线采用探针馈电与孔径耦合馈电相结合的混合馈电方式，结合“T”型馈线提高了端口隔离度，“Hour glass”形的槽改善了输入端口的阻抗特性。

用商业软件Designer(SV)对天线的电特性进行仿真优化，天线的谐振频率为2.40GHz，端口1和2的反射损耗分别为-26.97dB和-25.45dB，端口隔离度为-22.28dB。

关键词：双极化，混合馈电，微带贴片天线A Dual-polarized Microstrip Patch Antenna Fed by Hybrid StructureAn tingting1Zhang wenmei1(College of Physics and Electronics Engineering, Shanxi University of China, Taiyuan 030006)1Abstract: A new dual-polarized microstrip patch antenna fed by hybrid structure is presented. In order to improve isolation between two ports, hybrid feed (probe feed and aperture coupled feed) and “T” shaped microstrip line are used. The “Hour glass” shaped slot can improve the input impedance. The parameters of the antenna are calculated by Ansoft Designer (SV) simulation. The center frequency of the antenna is 2.40 GHz, the return loss for port 1 is -26.97 dB, and -25.45 dB for port 2, and the isolation between two ports is -22.28 dB.Keywords: Dual-polarized; Hybrid feed; Microstrip patch antenna1 引言近年来，随着无线通信系统用户的迅猛增长，通信信息容量需求的不断增大，能有效解决多径衰落问题的分集天线得到了广泛应用。

双微带贴片微带天线

双频贴片天线S. Maci and G. BifJi Gentili佛罗伦萨大学电子工程部地址Via S. Marta 3关键词：微带天线，多频天线1.摘要双频贴片天线在大宽带平面天线上可以提供选择的余地，在应用中，对两个独立的传输接收系统中，大带宽是真实需要的。

当两个工作频率隔的比较远，一个双频贴片天线结构设计能提供分离的系统。

这篇文章，一个关键性的概述的可以解决的方法就双频贴片天线的出现，未来的前景很客观。

2介绍贴片天线具有很吸引人的特性，比如矮小的高度，重量轻和和单片微波集成电路的兼容性。

它们的主要缺点是有一个固定的带宽限制，这个是由于它本身特性结构所决定的属性。

另一方面，现代通信系统，比如卫星连接（全球定位系统，车用，等等），同样新兴的应用也一样，比如无线局域网（WLAN），经常要求天线能够紧密和低价格，因此提出平面技术是很有用的，有时候也是不可避免的。

此外，由于它的低高度，贴片天线非常适合安装在空中平台的系统，像合成孔径雷达（SAR）和散射系统。

由于这些应用，新的动机给予战胜带宽限制的贴片天线的最前沿研究方向。

在增加天线带宽的应用中需要处理两子分开的频带，一个适当的选择是用双频贴片天线做为替代品扩大带宽。

实际上，对一个特定的应用优化天线，是为了保证拥有匹配的传输带宽和或者收到信号。

双频天线通过单一的辐射结构显示出双共振能力。

尽管从空间和成本上看，它们很适合，但很少人保注意力放在双频贴片天线上。

这可能是于它的复杂的馈电网络有关，特别是在对数组中的应用。

双频运行的需要出现在车载卫星的通信系统中。

这个系统的天线是低成本并且能在各向同性模式上满足需要；贴片天线的性能赢得了比赛。

当系统需要在遥远的距离也能工作两个频率，双频贴片天线可以提供两种可以用的不同天线；一种种类是合成孔径雷达。

它是很众所周知的天线，现在合成孔径雷达天线雇佣两个不同的频段。

合成孔径雷达未来的发展趋势就是至少覆盖双频天线的三分之二的带宽。

一种新型宽带双极化微带贴片天线的设计

ＺＨＡＯＨｏｕ — ｌｉａｎｇ，ＹＩＮＪｉａ — ｘｉａｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＤｅｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００７３，Ｃｈｉｎａ）
关键词：双极化；交叉极化；微带天线；短路耦合线中图分类号：ＴＮ８２８文献标识码：Ａ文章编号：１６７２ — ２３３７（２０１３）０２ — ０２１４ — ０５

ＤｅｓｉｇｎｏｆＮｏｖｅｌＢｒｏａｄｂａｎｄＤｕａｌ＿ＰｏｌａｒｉｚｅｄＭｉｃｒｏｓｔｒｉｐＰａｔｃｈＡｎｔｅｎｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｄｅｓｉｇｎｏｆｎｏｖｅｌｄｕａｌ — 。ｐｏｌａｒｉｚｅｄｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐｐａｔｃｈａｎｔｅｎｎａｗｉｔｈｗｉｄｅｂａｎｄｗｉｄｔｈｆｏｒＰ — ・ｂａｎｄ（ｔｈｅｃｅｎｔｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓ０．７５ＧＨｚ）ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ａｐｅｒｔｕｒｅ－ｃｏｕｐｌｅｄｔｈｅｏｒｙ，ｃａｖｉｔｙｍｏｄｅｌｔｈｅｏｒｙ，ａｎｔｉ — ｐｈａｓｅｆｅｅｄｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｓｔａｃｋｅｄｐａｔｃｈａｎｔｅｎｎａａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｒｅａｄｏｐｔｅｄｉｎｔｈｅａｎｔｅｎｎａｄｅｓｉｇｎｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｂａｎｄｗｉｄｔｈ．Ｂｏｔｈｏｆｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｐｏｒｔｓａｒｅｆｅｄｗｉｔｈａｃｏｐｌａｎａｒｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐｌｉｎｅ．Ｓｈｏｒｔ — ｃｉｒｃｕｉｔｅｄｃｏｕｐｌｅｄ－ｌｉｎｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｉｎｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅａｎｔｉ — ｐｈａｓｅｆｅｅｄｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋ，ｗｈｉｃｈｌｅａｄｓｔｏｌｏｗｅｒｃｒｏｓｓｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅａｌｉｚｅｄｇａｉｎｓｏｆｂｏｔｈｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｐｏｒｔｓｒｅａｃｈ８．５ｄＢ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｉｍｐｅｄａｎｃｅｂａｎｄｗｉｄｔｈｉｓ２８ｌａｒｉｚｅｄｐｏｒｔａｎｄ２２．６ｆｒｏｍ０．６４ＧＨｚｔｏ０．８５ＧＨｚｆｏｒｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｐｏ —

双极化与变极化微带天线的研究

双极化与变极化微带天线的研究随着无线通信技术的快速发展，天线作为无线通信系统的重要组件，其性能对整个系统的性能有着至关重要的影响。

双极化与变极化微带天线作为近年来研究的热点，具有小型化、宽频带、多频段等优点，在无线通信、卫星导航、雷达探测等领域具有广泛的应用前景。

本文旨在探讨双极化与变极化微带天线的研究，重点其设计方法、性能分析与优化等方面。

双极化微带天线是指具有两种不同极化状态的天线，如+45°/-45°极化、+90°/-90°极化等。

变极化微带天线则是指能够在两种或多种极化状态之间动态切换的天线。

目前，双极化与变极化微带天线的研究已取得了一定的成果。

例如，研究人员通过对微带天线结构的巧妙设计，实现了高性能的双极化微带天线；同时，变极化微带天线的动态切换能力也为无线通信系统提供了更加灵活的配置。

然而，现有研究大多于特定结构和材料下的双极化与变极化微带天线设计，缺乏对一般性设计方法和优化策略的探讨。

本文从理论分析和实验设计两个方面对双极化与变极化微带天线进行了研究。

基于电磁场理论，建立了微带天线的数学模型，并采用有限元方法对天线性能进行仿真分析。

结合实验测试，对所设计的双极化与变极化微带天线进行了性能评估，验证了理论分析的正确性。

本文还对比了不同研究报告的结果，以客观地评估所设计天线的性能优势。

通过对双极化与变极化微带天线的理论和实验研究，本文获得了以下重要结果：双极化微带天线的性能受到馈电点位置、贴片形状等因素的影响。

通过优化设计，本文所设计的双极化微带天线在±45°极化状态下的轴比（AR）低于1 dB，电压驻波比（VSWR）低于5，性能优于大多数现有研究。

变极化微带天线的设计重点在于切换机制的实现。

本文采用多层结构、可变贴片和交换馈电等技术，设计出一种能在+45°/-45°和+90°/-90°两种极化状态之间动态切换的天线。

S 波段双圆极化微带贴片天线设计

S波段双圆极化微带贴片天线设计杨鹏飞刘埇孙厚军张伟（北京理工大学MCES实验室，北京 100081）magicypf@摘要：设计了一种通过控制双端口馈电相位，实现双圆极化性能的微带天线单元。

天线采用双H型耦合馈电结构，馈线与辐射单元用地板隔开，改善了单元功率方向图的对称性。

两种线极化馈电结构的不对称性，使双端口间的隔离度优于-30dB。

基于变极化相控阵天线研究背景，对6×6阵列进行了电扫描仿真，仿真结果表明扫描角度优于±40°。

关键词：双极化，隔离度，耦合馈电，相控阵电扫描S-band Dual Circularly Polarized Microstrip Patch Antenna DesignYang Pengfei，Liu Yong，Sun Houjun，zhang wei（Lab MCES Beijing Institute of technology，Beijing 100081）Abstract：In order to achieve the dual circular polarization，we design a dual-polarization and then get the dual circular polarized antenna by controlling the polarization phase with double H-coupling feed structure. Feeder and the radiating elements are separated by floor，to improve the microstrip antenna power pattern of symmetry. Two lines feed polarization asymmetry of the structure ensure high port isolation. Based on phased array application background，the 6 × 6 array of electronic scanning is simulated and achieve a scan angle of ± 40 ° above. Keywords：Dual polarization，Isolation，Coupled feed，Electronica scanned phased array1 引言双极化技术是无线通信领域十分重要的技术，可用来实现极化分集和极化复用，其中极化分集是解决无线信道多径衰落的有效方法，而极化复用则可以更加有效地利用有限的频谱资源。

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)。

用商业软件Designer(SV)对天线的电特性进行仿真优化，天线的谐振频率为2.40GHz，端口1和2的反射损耗分别为-26.97dB和-25.45dB，端口隔离度为-22.28dB。

而分集技术中的双极化技术是无线通信领域十分重要的技术，它可用来实现极化分集和极化复用，其中极化分集是解决无线信道多径衰落的有效方法，而极化复用则可以更加有效地利用有限的频谱资源。

双极化天线能够互不干扰地发送或接收两种极化波，从而实现频谱复用。

到目前为止，双极化微带天线在国内外都有很大发展。

文献[1]-[3]提出了孔径耦合馈电的双极化天线，其中[1]采用在贴片中心开十字槽来实现双极化，[2]采取开两个偏移中心的互相垂直的耦合槽来实现双极化，而[3]采用直线槽和C形槽来实现双极化。

文献[4]-[5]提出的双极化天线采用混合馈电的方式，[4]采用探针馈电与微带线馈电相结合的馈电方式，[5]采用电容耦合馈电与孔径耦合馈电相结合的馈电方式，极大提高了端口隔离度。

本文提出了一种新型的双极化混合馈电微带贴片天线，该天线采用探针馈电与孔径耦合馈电相结合的混合馈电方式，结合“T”型馈线提高了端口隔离度，“Hour glass”形的槽改善了输入端口的阻抗特性。

天线的谐振频率为2.40GHz，端口1和2的反射损耗分别为-26.97dB和-25.45dB，3dB相对带宽分别为2.50%，端口隔离度为-22.28dB，天线最大增益为3.865dBi。

该天线保持了孔径耦合贴片天线的优势，同时馈电同轴线垂直贴片，电缆占用空间小，基金项目：国家自然科学基金项目(60771052)；国家博士后基金特别资助(200801424)；山西省自然科学基金项目(2006011029)；太原市科技项目(0703004)是一种具有实用价值的双极化分集天线。

2 天线设计双极化混合馈电微带贴片天线的结构如图1所示，其中(a)为天线俯视图，(b)为天线侧视图。

5slot(a) 俯视图Port 2Port 1(b)侧视图图1 天线结构图天线由两层介质板构成，矩形辐射贴片蚀刻在第一层介质板的顶部，接地板和馈线分别位于下层介质板的上、下两侧。

一个“Hour glass”形的槽开在地板上，它可改善输入端口的阻抗特性。

馈线采用“T”型50Ω微带开路线。

两层介质板均采用相对介电常数εr=3.38，厚度h=0.762mm的Rogers材料。

天线采用两种方式激励，即垂直极化端口(port 1)采用探针馈电，水平极化端口(port 2)采用孔径耦合馈电。

混合馈电以及“T”型馈线都会提高端口隔离度。

双极化混合馈电微带贴片天线尺寸以及50Ω匹配馈电位置(x1,y1)的计算由公式(1)-(6)给出[6]。

结合孔径耦合的特点，下文分析了“T”型馈线对两端口隔离度的影响，及馈线参数w1、“Hour glass”形槽的宽w3、长l3对天线性能的影响。

212+=raελ（1）bbe∆-=22ελ（2）其中，()()⎪⎭⎫⎝⎛+-⎪⎭⎫⎝⎛++=∆8.0258.0264.03.0412.0tatatbeeεε（3）atrre1212121+-++=εεε（4）21ax=（5）()⎪⎭⎫⎝⎛≤≤-=-2315cos111bybabyrrεεπ（6）图2对比了“T”型馈线和普通微带馈线对天线隔离度的影响。

即参数w1分别为5mm与2mm，保持其他参数值固定，分别为a=32mm，b=32.4mm，l1=37mm，l2=7mm，l3=8mm，w2=2mm，w3=5mm，w4=1mm，w5=0.5mm，w6=0.5mm。

由图可以看出，天线采用“T”型馈线后，隔离度增加约10dB。

“T”型馈线主要影响孔径耦合端口的特性，对探针馈电端口特性影响不大。

馈线参数w1变化对端口2特性影响如图3所示，随着w1的增加，谐振频率稍有增加，反射损耗逐渐变差。

“Hour glass”形槽的宽w3、长l3与两端口谐振频率关系如图4、5所示。

如图4、5所示。

图4中参数w3变化时，其他参数为a=32mm，b=32.4mm，l1=37mm，l2=7mm，l3=8mm，w1=5mm，w2=2mm，w4=1mm，w5=0.5mm，w6=0.5mm。

图5中保持参数a=32mm，b=32.4mm，l1=37mm，l2=7mm，w1=5mm，w2=2mm，w3=5mm，w4=1mm，w5=0.5mm，w6=0.5mm 不变，改变参数l3。

由图4、5可以看出，槽宽w3变化对端口1的谐振频率影响较大，而长l3变化对端口2的谐振频率影响较大。

随着w3的增加，端口1的谐振频率呈直线下降，端口2的谐振频率稍有减小。

与w3对两端口谐振频率影响的变化相反，随着l3的增加，端口2的谐振频率呈直线下降，端口1的谐振频率稍有减小，当l3大于8mm时谐振频率基本不变。

·2··3·I s o l a t i o n (d B )Frequency(GHz)图2 两种馈线对隔离度的影响S 22(d B )Frequency(GHz)图3 w 1对端口2特性的影响F r e q u e n c y (GH z )w 3(mm)图4 w 3与两端口谐振频率关系图F r e q u e n c y (GH z )l 3(mm)图5 l 3与两端口谐振频率关系图3 仿真结果及分析利用商业软件Designer(SV)对双极化混合馈电微带贴片天线进行电磁仿真和优化，优化后的天线尺寸为：a=32mm ，b=32.4mm ，l 1=37mm ，l 2=7mm ，l 3=8mm ，w 1=5mm ，w 2=2mm ，w 3=5mm ，w 4=1mm ，w 5=0.5mm ，w 6=0.5mm 。

天线的S 参数、辐射特性、增益如图6～8所示。

S -p a r a m e t e r s (d B )Frequency(GHz)图6 仿真的天线S 参数天线的S 参数曲线仿真结果如图6所示。

由图可知天线谐振频率为2.40GHz ，端口1和2的反射损耗分别为-26.97dB 和-25.45dB ，3dB 相对带宽为2.50%，两端口隔离度为-22.28dB 。

图7分别给出了天线在频率为2.40GHz 时端口1和端口2在E 面、H 面的辐射方向图。

从图中可见，天线背面辐射较小。

因为孔径耦合馈电具有较好的交叉极化特性，所以天线端口2的交叉极化较端口1好。

天线增益如图8所示，天线最大增益为3.865dBi 。

-40-30-20-1000-40-30-20-10(a) 端口1·4· -50-40-30-20-1000-60-50-40-30-20-10(b) 端口2图7 天线辐射方向图(—Co-pol. (E-plane) …Cross-pol. (E-plane) Co-pol. (H-plane) + Cross-pol. (H-plane))4 结论本文提出了一种新型双极化混合馈电微带贴片天线，采用探针馈电与孔径耦合馈电相结合的混合馈电方式，具有良好的反射损耗、端口隔离度、辐射特性和增益。

本文提出的这种分集天线设计结构简单，参数易调节，独立性强，制作简单，性能良好，可以很好的满足新一代移动通信系统及宽带无线局域网(WLAN)的应用需求。

参考文献[1] M. Barba, A high-isolation, wideband and dual-linear polarization patch antenna, IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2008[2] S.C.Gao, L.W. Li, P. Gardner and P.S.Hall, Dual-polarized wideband microstrip antenna, Electronics Letters, 2007[3] S. K. Padhi, N. C. Karmakar, C. L. Law and S. Aditya, A dual polarized aperture coupled circular patch antenna using a C-shapedcoupling slot, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2003[4] Y. J. Kim, W. Yun and Y.J. Yoon,Dual-frequency and dual-polarization wideband microstrip antenna,Electronics Letters, 1999[5] K. L. Wong, T. W. Chiou, Broad-band dual-polarized patch antennas fed by capacitively coupled feed and slot-coupled feed, IEEETransactions on Antennas and Propagation, 2002[6] Y. P. Zhang, Design and experiment on differentially-driven microstrip antennas, IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2007作者简介：安婷婷，女，硕士，主要研究领域为射频与微波通信等。