单极子天线阵

单极子天线阵（精选三篇）

单极子天线阵 篇1

超宽带技术作为一种无线通信技术, 在精确定位系统, 高分辨率超宽带雷达等方面已经有了广泛的应用。最近, 该技术在短距离高速无线通信方面的应用也受到了人们的关注。根据FCC规定, 将相对带宽 (fH-fL) /fC>20% (在-10 dB点测量) 或者总带宽BW>500 MHz的系统定义为超宽带系统。UWB天线的设计与研究是超宽带的关键技术之一。随着高速电子集成电路的发展, 为了适应集成电路小型化集成化的需求, 超宽带平面天线的研究与应用得到了广泛的关注。

本文提出了一种新型UWB平面单极子微带天线阵, 以矩形平面单极子天线为原型, 通过改变辐射贴片的形状和增加反射板来实现对原有天线性能的优化。平面单极子天线结构如图1所示。

1天线单元的理论分析与设计

一般来说, 按照天线工作方式的不同, 共面单极子天线可以分成微带式单极子天线和开槽式单极子天线。微带天线具有很多优点[1]:如设计紧凑, 设计简单;生产成本低, 易于批量生产;馈电网络可与天线结构一起制作等。但是其带宽有限, 一般在15%～35%的范围内[2];为了增加带宽, 我们可以通过增加微带天线的辐射片的尺寸, 或者增加下层介质的高度等来展宽带宽。但是这些方法展宽的带宽有限, 很难满足UWB系统的要求。Seok H.Choi等对传统微带天线做了突破性的改进, 将原先微带天线的充当地面的金属片由全部覆盖式改成部分覆盖式, 并在辐射片与馈源连接处采用了多层式阶梯结构[3], 从而使天线带宽得到很大的提高。一般情况下, 阶梯的层次越多, 微带天线的相对带宽越宽。

本天线, 采用对称梯形贴片和矩形地板结构的平面单极子天线为原型 (如图1所示) 。天线制作在相对介电常数εr=2.65, 厚度H=0.8 mm, 损耗角正切tanδ≤0.001的聚四氟乙烯基板上, 其尺寸为Wg×Lg, 采用50 Ω微带线馈电, 微带线宽度wf由公式计算得wf=2.78 mm。本文利用基于时域有限差分法的电磁仿真软件Computer Simulation Technology (CST) 对天线模型进行仿真。通过改变贴片与地板形状可以进一步减小天线的尺寸和展宽天线的阻抗带宽。

对于单极子微带天线, 若采用正方形辐射贴片, 矩形地板, 则贴片大小与低点谐振频率关系为:

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其中L为正方形贴片边长, g为贴片到地板的间隙, h为介质厚度。当低频fL=2 GHz, 间隙g=3.6 mm, 介质厚度h=0.8 mm时, 计算得出正方形贴片边长L=31.6 mm。图1中天线反射单元采用一级阶梯结构, 各个结构数据是优化后得到的数据如下[4]:Wg=47.5 mm, Lg=50 mm, L3=7.5 mm, h=0.8 mm, Wf=2.78 mm, W1=30 mm, L1=15 mm, W2=1.2 mm, L2=3.6 mm, d=29.8 mm。

图2表明阶梯形贴片结构天线与阶梯形长宽相当的矩形贴片结构天线相比, 贴片采用一阶梯形结构能大幅度提高中间频段回波损耗特性, 带宽得到了提高。从图2可以看出, 该天线在1.93 GHz～2.93 GHz频段内反射系数均小于-10 dB。

根据微带贴片天线的基本原理, 天线一般都在半波长谐振, 天线中的电流在一个开路端和另一个开路端之间形成驻波, 因此两个开路端之间有一条零电位线。如果在这个电压零点放置一个短路的探针或者短路的贴片, 就可以形成开路到短路的驻波结构, 那么天线就相当于四分之一波长谐振, 天线的尺寸可以缩小一半[5]。采用梯形贴片结构和矩形地板结构所得的贴片与 (1) 式计算出来的正方形贴片相比较贴片面积减少46.9%, 减小了天线尺寸。

2宽频带四单元平面单极天线阵设计

用图1微带单元天线设计四单元天线阵, 天线之间的间距为d1, 实物如图4所示, 采用一分四馈电网络进行馈电, 因为单元天线在工作频段内的输入阻抗在50 Ω附近变化不大, 用分支为70.7 Ω (0.25波长) 的T型接头以保证各阵元与馈电线的阻抗匹配。馈线转弯采用45度弯角, 以避免微带线拐角的不连续点引起的辐射和反射。因为当单元天线组成阵列, 单元天线间的耦合作用, 变化的地板等因素会使单元天线的输入阻抗发生变化, 所以在阵列天线的仿真过程中, 不单改变馈电网络的参数, 而且同时改变单元天线的参数, 实现优化阵列天线S参数的目的。优化后, 天线阵参数为w1=30 mm, l1=15 mm, w2=1.3 mm, l2=3.6 mm, l3=32 mm, h=0.8 mm, wf=2.78 mm (50 Ω微带线) , 地板大小为255 mm*32 mm, 反射金属板的尺寸同介质板255 mm*59 mm, 厚为1 mm, 离辐射贴片距离d=29.8 mm, 约为中心谐振频率2.4 GHz对应自由空间波长的四分之一。70.7 Ω (1/4波长阻抗变换线) 长p=21.6 mm。

图3所示为四单元平面天线阵的S参数与方向图仿真结果, 该天线在1.93 GHz～2.93 GHz频带内反射系数均小于-10 dB, 在频带内2.4 GHz时增益达13 dBi, 工作频段内的其它频点的方向图变化不大。

3实验结果与分析

四单元平面单级UWB天线阵实物如图4所示。采用Agilent N5230A矢量网络分析仪对该天线实物回波损耗S11进行测量, 图5给出了S11的测试结果。测试表明, 此超宽带天线阵的S11在1.93 GHz～2.93 GHz的频带范围内都小于-10 dB, 相对带宽达到了42%, 相对带宽远大于FCC所规定的超宽带的相对带宽要求, 图5中的测量结果与仿真结果基本吻合。

4结论

本文提出了一种小型化超宽带平面单极子微带天线阵, 证明了矩形地板和阶梯状辐射贴片可以增加天线带宽, 并减小天线尺寸。采用一分四微带线馈电网络, 设计天线比较简单, 可以减小天线的尺寸, 使设计的天线阵更加小型化。该天线带宽比较大, 满足超宽带要求, 增益高, 结构简单、加工方便、成本低, 有广阔的应用前景。

摘要：提出了一种新型平面单极子微带天线阵, 以平面矩形单极子天线为原型, 通过改变辐射贴片的形状实现对原有天线性能的优化。设计了中心频率为2.4 GHz, 相对带宽是42%, 增益达13 dBi的宽频带四单元平面单极天线阵。通过仿真与实验表明, 该天线在1.93 GHz2.93 GHz频带内反射系数均小于-10 dB。

关键词：单极子,微带天线,平面单极天线

参考文献

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超宽带单极子天线的设计 篇2

超宽带天线是超宽带系统的重要组成部分。随着微波集成电路的快速发展,系统高度集成化、小型化。因此,对超宽带天线也提出了更高的要求,在保证天线性能的基础上,尽可能缩小天线的尺寸[3]。近年来,已研制出各种不同结构的超宽带天线[4,5,6,7]。文献[8,9,10,11][8,9,10,11]给出了如矩形、椭圆、圆形等结构的平面超宽带天线。文献[12]采用在天线的接地板上引入圆弧形切口和将方形接地板的直角改成圆角的设计方法,改善了平面超宽带天线的性能,但是天线的体积较大,尺寸为42 mm×50 mm。文献[13]通过单极子和高介电常数陶瓷介质谐振器的耦合设计了一种新型的类齿状UWB单极天线,但天线采用的是立体结构,不便于集成。这些天线分别具有自身的优势,虽其满足UWB对带宽的要求,但尺寸却不够小,不易于集成,不能满足现代无线通信系统发展的要求。相较而言,超宽带平面印刷天线更容易嵌入无线设备或者集成到其他集成电路中。

本文设计了一种新型超宽带平面印刷单极子天线,通过对矩形辐射贴片的4个角剪裁和在中间挖矩形缝隙,来获得天线的宽频带特性。利用三维电磁仿真软件对天线进行一系列的仿真、分析及优化,同时研究了各个参数变化时,回波损耗、辐射方向图的变化。最终得到天线的最佳尺寸。天线的阻抗带宽为13.5GHz,通频带内回波损耗<-10 d B,带内驻波比<2,达到了FCC所规定的要求。

1 天线结构设计

传统的圆柱形单极子天线具有水平全向辐射特性,但其阻抗带宽较窄,这限制了它的应用范围,为了扩展天线的阻抗带宽,可采用加大圆柱半径的方式,由此演变出平面结构的单极子天线。

本文由传统的印刷单极子天线出发,通过辐射贴片曲流技术和接地板曲流技术,实现了天线的小型化。最后,在辐射贴片上开矩形槽,进一步缩小了天线的尺寸,具体演化过程如图1所示。图2为3种天线的回波损耗的仿真结果对比图。

由图2可看出,天线1满足回波损耗<-10 d B的频带为2.7~4.5 GHz,阻抗带宽较窄,仅为1.8 GHz,完全不能满足UWB的需求。天线2满足回波损耗<-10 d B的频带为2.5~16 GHz,阻抗带宽可达13.5GHz,满足UWB需求。天线3与天线2阻抗带宽基本一致,比天线2的体积更小。

经过仿真分析,最终得到天线的尺寸结构如图3所示,其中图3(a)为天线顶部示意图,图3(b)为天线底部示意图。天线由辐射贴片、微带馈线和带槽接地平面组成。该天线印刷在一块介质基板上,基板厚度为1 mm,介电常数为2.65,介质损耗为tanδ=0.02。天线介质板长L0为42 mm,宽W0为36 mm。天线的馈线端与50Ω的SMA信号传输器连接。为达到较好的阻抗匹配,馈线的宽度Wf设置为3 mm,长度Lf设置为20 mm。由传统矩形辐射贴片分别切掉对称的4个角,其中底边上截取的三角形角度的大小为A。贴片上面边上截取三角形的两直角边L1为2 mm,W1为1mm。辐射贴片中央挖矩形槽大小为L2取10 mm,W2取8 mm。天线接地平面的宽度为W0,长度Lg取20mm。在接地平面中央挖一个长L3为2.5 mm,宽W3为1.9 mm的矩形槽[14],有助于阻抗的匹配和频带的拓宽。

2 仿真结果及分析

利用基于有限元的电磁仿真软件HFSS对天线的各项指标进行仿真[15]。天线在扫频范围2~18 GHz中的回波损耗曲线,如图4图所示。由图4可知,天线工作频带范围为2.5~16 GHz,频带宽度达到了13.5GHz。比FCC规定的频带更宽,适用范围更广。

图5给出了天线在设计过程中,底边上截取的三角形角度A与天线回波损耗之间的关系。由图可知,当度数较小,例如等于5°时,天线的阻抗带宽较窄,仅有3.1 GHz,不能满足UWB的需求。随着度数的增大,天线的阻抗带宽逐渐变宽,当A=15°时,天线阻抗带宽可达13.2 GHz,满足超宽带系统的需求。当A进一步增大,达到25°时,天线的阻抗带宽变窄,仅为5.5GHz。由此可见,只有选择合适的切角大小,才能使天线的阻抗带宽满足UWB系统的需求。

图6~图8分别对应天线在xoz平面与yoz平面的辐射增益方向图。选取的频点分别为4 GHz,6 GHz和8 GHz。由图可知,天线在低频时具有全向辐射特性,当频率不断增加时,方向图具有一定的恶化,但其yoz面仍接近全向,这表明该天线在整个超宽带频段内具有良好的全向辐射特性。而在xoz面上,天线具有与偶极子天线相似的双向辐射特性。

3 结束语

本文设计了一种以微带线馈电的平面印刷单极子天线,尺寸为42 mm×36 mm。利用三维电磁仿真软件仿真出的工作频带范围为2.5~15.7 GHz,频带宽度达13.2 GHz。同时,由天线的辐射方向图可看出,天线在yoz面具有全向辐射特性,而在xoz面上,具有类似偶极子的双向辐射特性。天线结构简单、易于加工、便于实现集成化设计。

摘要：文中提出并研究了一种以微带馈电的超宽带单极子天线,尺寸为42 mm×36 mm。天线印刷在相对介电常数为2.65,厚度为1 mm的介质板上,由辐射贴片及带矩形槽的接地平面组成。利用三维电磁仿真软件对天线的回波损耗、方向图等参数进行了仿真,其结果表明,该天线在2.5~16 GHz的频率范围内回波损耗<-10 d B,具有超宽带的工作特性,且天线显示出较好的全向辐射特性,天线的结构简单、易于加工。

单极子天线阵 篇3

2002年,美联邦通信委员会(FCC)通过决议,将3.1~10.6 GHz作为超宽带系统的工作频谱范围,并允许将其应用于一些民用无线通信领域。近几年来,无线通信技术得到了迅速发展,无线通信系统也对天线的结构和性能提出了更高的要求。因此易于和通信设备集成的共面波导馈电的单极子天线得到了广泛关注,而小型化超宽带天线更以其低剖面、低功耗、宽频带和结构简单等优点成为研究的重要对象。目前,国内外专家学者已经研究出了不少超宽带天线,文献[1]提出了一种新型的平面印制单极子天线,此天线结构简单,全向性较好,但并没有达到超宽带低频的要求。文献[2-5]的超宽带天线均采用共面波导馈电方式和宽缝隙结构,通过辐射贴片与宽缝隙之间的耦合形成了超宽带的性能。不足的是其尺寸较大或增益较小。文献[6-9]中提出采用微带线结构的超宽带天线,在保证良好阻抗匹配的同时也存在着尺寸较大等问题,在某些无线移动通信设备应用中存在着一定程度上的局限性。

本文提出一种采用共面波导馈电的蘑菇形辐射贴片与梯形槽口组合而成的超宽带单极子天线。使用仿真软件分析了该天线结构中的一些参数对天线阻抗特性的影响,并分析了天线的辐射特性及增益特性。

1 天线结构

天线结构如图1所示,图1(a)为俯视图,图1(b)为侧视图。半径为R的半圆形辐射贴片下方加载两个适当尺寸的矩形带状贴片,形成类蘑菇形结构。梯形槽口的接地板和蘑菇形贴片印制在FR4基板的同一侧,基板相对介电常数为4.4,尺寸W=23 mm,L=25 mm,h=1 mm。为了获得更好的阻抗匹配,采用渐变共面波导结构,中间馈线宽度Wg=2.4 mm。部分天线尺寸如下:g=0.5 mm,L1=5 mm,L2=14.5 mm,L4=1 mm,L5=1 mm,W1=9.8 mm,W3=17 mm,W5=1.7 mm,R=4.2 mm。

2 仿真分析与结果

为了获得更好的阻抗特性和辐射特性,这里讨论了槽口结构和矩形渐变结构尺寸对天线性能的影响。分析某一参数的影响时,其他参数保持不变。

2.1 参数分析

该天线通过对接地板开梯形槽,并通过加载矩形带状贴片作为渐变结构来调整和改善天线的输入阻抗,因此接地板的槽口结构及辐射贴片的渐变结构对该天线的性能影响较大。下面将主要通过仿真分析s,W2,L3,W4等参数对天线阻抗带宽的影响,仿真结果如图2~图5所示。

从图2可以看出参数s主要影响阻抗带宽的低频段和高频段。s值的大小代表共面波导结构的渐变程度,当参数s逐渐增加时,低频段回波损耗减小,低频段带宽得到扩展,但高频段回波损耗增大,当s=0.7 mm,13 GHz频点处S11参数已经不能满足小于-10 dB的要求。

从图3可以看出参数W2几乎影响着阻抗带宽的整个频段。随着W2值的增大,第一个谐振点向低频移动,高频段回波损耗明显减小。槽越宽低频特性越好,天线带宽越宽。

从图4可以看出,随着辐射贴片与共面波导地面之间距离L3的增加,天线的阻抗带宽大大增加。主要由于L3的增加使辐射贴片更靠近顶部的共面波导,与共面波导地面之间的激励增加,耦合增强,使得天线的阻抗带宽增加。

在图5中,参数W4主要影响着阻抗带宽的低频段和谐振点的数目。主要原因是这些矩形带状线的引入不但增加了电流流过贴片路径的长度而且增强了辐射贴片的不连续性,因此能够实现更低频的阻抗匹配,产生额外谐振点。最终优化后的各参数值为s=0.4 mm,W2=9 mm,L3=1.5 mm,W4=1.3 mm。

图6是优化后天线的回波损耗随频率变化曲线。由图6可知,天线满足回波损耗小于-10 dB的带宽为3~13 GHz,阻抗带宽达到10 GHz,符合超宽带的要求。因此,梯形槽口结构和加载的矩形带状贴片使天线有好的阻抗匹配特性。

2.2 辐射方向图与增益

阻抗带宽不足以说明天线的实际带宽性能,下面将进一步考察天线在整个频段内的辐射方向图特性。本文选取了四个频率点对天线的辐射方向图进行分析。图7是天线在3 GHz,5 GHz,7 GHz和10 GHz频点的xOz平面归一化辐射方向图。从图7中可以看出,此天线的xOz平面方向图在四个频点下方向图变化不大,均为全向辐射。图8是天线在3 GHz,5 GHz,7 GHz和10 GHz频点的yOz平面方向图,从图中可以看出yOz平面方向图类似于单极子辐射方向图,且在不同的频率下基本保持不变,一致性较好。在高频段,虽然xOz平面和yOz平面方向图发生了一些畸变,但是变化较小,不足以对其应用构成威胁,因此,此天线具有稳定的辐射特性,能够满足UWB频段通信的要求。

图9是在3~13 GHz带宽范围内得到的增益曲线图,可知该天线最小增益为2.2 dB,当频率超过11 GHz时,增益最高可达7 d B,适用于超宽带系统应用。

3 结论

本文给出的共面波导馈电的小型化超宽带单极子天线,是由一个梯形槽口接地板和蘑菇形辐射贴片构成,这种结构的天线使贴片与槽口缝隙的阻抗随频率变化而形成互补,从而使得天线在很宽的频率范围内都能达到良好的匹配。通过优化梯形槽口尺寸,加载矩形带状贴片形成的渐变结构,从而实现了天线的小型化与超宽带。最终实现了回波损耗低于-10 dB的超宽带频段为3~13 GHz,而且几乎在整个频段上xOz平面辐射方向图都能保持稳定的全向性,增益保持在2.2 dB以上。该天线结构简单且具有低剖面特性,因此便于应用在各种无线超宽带移动通信设备中。

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