第25卷第2期2010年4月
电波科学学报
CHINESE JoURNAL oF RADIo SCIENCE
V01.25,No.2
April,2010
文章编号1005—0388(201002一0393—05
双圆极化微带天线的设计
薛欣张福顺冯昕罡冯睿
(西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室.陕西西安710071
摘要研究了小型化双圆极化微带天线的设计方法。重点讨论了实现双圆极化、宽波束宽度微带叠层天线小型化的实现方法,并利用仿真软件进行仿真分析,在此基础上研制了样件,对其电性能进行了测量,测量结果表明:此微带天线具有圆极化、宽波束宽度和小型化的特点。
关键词圆极化;宽波束宽度;小型化;微带天线
中图分类号TN821+.1文献标志码A
1.引言
微带天线的优点是体积小、重量轻、低剖面,其主要缺点是带宽很窄。一般工程中要使微带圆极化天线兼顾双圆极化、宽波束宽度和小型化的特点具有一定难度,在此工程背景上进行了研究,使天线能同时工作在两个离散的频率点,产生不同旋向的圆极化特性[1]。由于圆极化天线带宽很窄,加工时,尺寸稍有误差,便使得圆极化特性变差。采用双馈点馈电,增加天线的对称结构,改善了圆极化特性,最终利用经验公
式和仿真软件,设计了工作在两个不同频率点,不同旋向的圆极化天线,并采用高介电常数的介质板来减小天线尺寸,和展宽波束宽度[2喝]。
2.微带天线的设计
天线的设计要求为天线安装在边长为48mm,四周倒圆角的方形底座上,分别工作在L波段和S 波段,其电压驻波比VSwR≤2,轴比Axial Ratio≤2dB。工作频率L波段时产生左旋圆极化波,工作频率S波段时产生右旋圆极化波。
采用多层重叠的微带天线实现双频双圆极化特性,该优点是便于工程实现和加工。为了减小天线的尺寸和展宽辐射波束宽度,采用介电常数为9.8的陶瓷介质,厚度为2mm,工作频率在S波段的上层,工作频率在L波段的下层。高频天线工作的时候下层的天线充当了地板;当低频天线工作时,高频天线因为尺寸小,减小了对低频天线的影响。同时
收稿日期:2009一05—24
联系人:薛欣E-mail:xuxwindy@https://www.doczj.com/doc/ab1557565.html, 改变天线的形状,改善波束宽度范围内的圆极化特性。
如图1所示。圆极化方式采用双馈电点,两个馈电端口所辐射的TM们和TM。。模,在贴片辐射方向形成两个正交分量,相差,c/2,选择适当的激励频率,可以使两个模式同时被激励,从而得到一个圆极化辐射场,选择适当的相差,使得上层辐射右旋圆极化场,下层辐射左旋圆极化场。
(b侧视图
图1天线结构
2.1贴片的设计
设计贴片时,先根据正方形贴片天线的经典公
式设计天线单元其初边长L。
394电波科学学报第25卷
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根据式(1式(2计算出天线的初始尺寸,采用
高介电常数介质,以减小天线尺寸和展宽波束宽度, 增加天线的对称结构,以改善圆极化特性,再利用仿真软件,优化天线的尺寸[7剖。
2.2馈电网络的设计
馈电网络采用双馈点馈电,如图2所示,高频功
分器和低频功分器分开工作,其功分器部分采用
Wilkinson功分器,移相器采用普通微带传输线。
利用微带传输线移相的特性,使功分器终端得到两
个等幅,相位相差丌/2的电场。
图2功分器结构
3.仿真及实验结果
3.1仿真分析
对图l所示天线结构和图2所示功分器,利用
AnSoft HFss软件进行仿真优化设计,具体尺寸为
1天线大小L51—26.8mm,Ls2—18mm;
2介质板介电常数￡一9.8;
3介质板尺寸Lm一48rnm,厚度H2一H1—2nⅡn。
利用以上尺寸,建立模型仿真结果如图3~图4所示,图3为天线的电压驻波比系数(VSWR,图4为天线辐射方向图,其中。度方向为天线辐射面法线方向。
由图3、图4可以看出天线的两个工作频率VSWR≤2、最大辐射方向轴比Axial Ratio≤2dB, ^一1.616GHz时3dB波瓣宽度为115。,^= 2.49l GHz时3dB波瓣宽度为120。。
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图3天线电压驻波比系数。圜
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图4天线仿真归一化方向图2
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第2期薜欣等:双圆极化微带天线的设计
395
3.2实验结果
根据天线的设计和仿真尺寸,加工出小型化微带天线的实物样件,样件尺寸为48 mm×48
mm,并对样件进行了电测量,图5为双频双圆极化微带天线的实物样件和使用HP8753D矢量网络分析仪测量天线的电压驻波系数(VSWR的测试结果。
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图5实测天线电压驻波比系数
由图5可以看出天线在工作频率1.616
GHz
时,其电压驻波比为1.3。工作频率为2.491GHz
时,其电压驻波比为1.6,满足了设计要求。
在微波暗室远区条件下,采用自制的天线远场自动测量系统在^一1.616GHz和^一2.491GHz时,对该天线的辐射方向图进行了实测,测试结果如图6和表1所示,其中。度方向为天线辐射面法线方向【9]。
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(b,o=2.491GHz 图6天线实测方向图
表1天线3dB轴比波束宽度数据表
图6的电测试结果和表1表明,天线在两个工作频率点,在很宽的波束宽度范围内有很好的圆极
化特性。
4.结论
研究了小型化双频双圆极化微带天线的设计方法,通过采用叠层天线的设计思路使天线工作在两
个离散的频率点产生不同极化的圆极化波,并通过
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396电波科学学报第25卷
使用高介电常数减少天线尺寸和展宽波束宽度,增加天线对称结构改善圆极化特性,然后根据Ansoft HFSS软件仿真优化出的结构尺寸,加工了天线样件,样件尺寸为48删m×48删m,其电测的结果也满足了设计指标的要求,该天线已经用于工程实际,有很高的实用推广价值。
参考文献
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大学出版社。1995.
作者简介
薛欣(1985一,男,陕西
人,西安电子科技大学电磁场与微
波技术专业硕士生,主要研究方向
为微带天线与天线小型化。
张福顺(1960一,男,陕西
人,西安电子科技大学教授,博士导
师,博士。主要研究方向为天线理
论与工程及测量,发表学术论文
150余篇,其中,70余篇被EI收录,
出版了专著《天线工程手册》和《天线测量》,编写了《天线近场测量误差分析与系统》。
冯昕罡(1984一,男,陕西
人,西安电子科技大学电磁场与微
波技术专业硕士生,主要研究方向
为阵列微带天线。
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双圆极化微带天线的设计作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期：被引用次数：薛欣，张福顺，冯昕罡，冯睿， XUE Xin， ZHANG Fu-shun，FENG Xin-gang， FENG Rui 西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室,陕西西安,710071 电波科学学报 CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCE 2010,25(2 1次参考文献(9条 1.丁克乾;李连辉;张凤林双频圆极化微带天线[期刊论文]-遥测遥控 2004(05 2.刘玉杰小型化圆极化收发天线设计[期刊论文]-遥测遥控 2004(05 3.张福顺;商远波;张涛高增益低副瓣圆极化微带天线阵的研制[期刊论文]-电波科学学报2008(03 4.胡明春;杜小辉;李建新宽带宽角圆极化微带贴片天线设计[期刊论文]-电波科学学报 2001(04 5.SIM C Y D;HAN T Y GPS antenna design with slotted ground plane[外文期刊] 2008(03 6.薛睿峰;钟顺时微带天线圆极化技术概述与进展[期刊论文]-电波科学学报 2002(04 7.钟顺时微带天线理论与应用 1991 8.David M.Pozar 微
波工程 2007 9.张福顺;张进民天线测量 1995 引证文献(1条 1.刘宗全.钱祖平.韩振平.倪为民一种新型弹载共形多极化天线的设计与实现[期刊论文]-弹箭与制导学报
2012(3 引用本文格式：薛欣.张福顺.冯昕罡.冯睿.XUE Xin.ZHANG Fu-shun.FENG Xin-gang.FENG Rui 双圆极化微带天线的设计[期刊论文]-电波科学学报 2010(2
射频圆极化微带天线设计
射频圆极化微带天线设计 摘要 天线作为无线通信最为重要的部分长久以来都受到科研人员的重视以及迅速改造发展。如今，微带天线因其自身的质量小，形状易改变而与设备共形等优势在通信领域应用极为广泛。天线的种类多样，极化方式大致分为线极化与圆极化两种，在天线出现的初期，由于技术层面的限制，线极化天线的应用极为广泛。但由于科技的发展和人们对信号的愈来愈严苛的要求导致线极化天线与应用层面的矛盾越发凸显。由于圆极化天线的方向性，旋向相同接收性和抗干扰性较强，因此现代圆极化天线的应用成为当今天线的主流。本文介绍圆极化天线的性质和缺点以及对未来的展望和改进。 关键词：圆极化天线，抗干扰，性质 Designing of Rf circular polarization microstrip antenna ABSTRACT As the most important part of the wireless communication antennas has long been brought to the attention of the researchers and rapid development. Today, the quality of the microstrip antenna with its small, easy to change shape and advantages, such as equipment conformal is widely applied in the field of communications.
高增益宽带圆极化微带天线阵研究 O 引言 随着微带天线技术的发展，新形式和新性能的微带天线不断涌现。对于便携式天线，就需要天线在尺寸上更小，并且天线在电性能上更要求宽频带、高增益等电特性。前人在天线的这些性能的改进上做了相当多的工作，但是大多数都是只在其中的一个或者两个特性上做了改进。针对现有存在的问题，本文提出一种具有小型化、高增益、宽频带的圆极化微带阵列天线。研制了S波段小型化宽带圆极化天线阵实验样机，并对天线阵实验样机的电特性进行了测量。测量结果表明，天线最大增益为15dB时，天线阵尺寸仅为295 mm×210 mm，天线阵的电压驻波比带宽达到了12.25％，圆极化轴比小于3 dB，带宽达到9.4％，大于文献[1]中的3.4 %。且波瓣宽度分别为64°和20°大于文献[1]中所提到的63°和9° 1 理论分析与设计 本文利用一般微带天线的设计方法设计天线单元。并通过对微带天线的匹配枝节进行调节阻抗，利用An-soft HFSS软件对天线单元进行仿真优化设计，大大降低了天线阵的设计复杂度，并通过若干级二等分功率分配器便可设计出馈电网络。 1.1 天线单元的设计 圆极化天线应用面很广，其实用意义主要体现在： (1)圆极化天线可接收任意极化的来波，且其辐射波也可由任意极化天线收到，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)圆极化波入射到对称目标(如平面、球面等)时旋向逆转，因此圆极化天线应用于移动通信、GPS等能抑制雨雾干扰和抗多径反射。 微带天线要获得圆极化波的关键是激励起两个极化方向正交的，幅度相等的且相位相差π/2的线极化波。最早的圆极化微带天线采用正交馈电方式，但这种天线构成天线阵元时，馈电电路之间会引起不希望有的耦合，从而限制了它的实际应用。曲线微带天线构成的宽频带圆极化微带天线不采用开放式的谐振腔，
第22卷第6期2006年12月 微 波 学 报 JOURNAL OF M I CROWAVES Vol.22No.6 Dec.2006 文章编号:100526122(2006)0620040205 一种新型低剖面、双频、双极化宽频带 阵列天线的研究与设计3 王红星1 刘锡国1 刘 敏2 (1.海军航空工程学院电子工程系,烟台264001;2.空军工程大学电讯工程学院,西安710077) 摘 要: 设计了一种结构新颖的双频、双极化基站阵列天线并进行了仿真和实验研究。双频阵列由采用新型印刷金属圆弧耦合馈电的圆环天线(低频)与交叉微带印刷振子(高频)嵌套构成。首次采用印刷金属圆弧耦合馈电拓宽了圆环天线带宽,并利用反相馈电技术提高了端口隔离度(<-28dB)、加强了方位面方向图的对称性、降低了交叉极化电平;对在双频结构中受影响较大的高频阵元进行了相位误差分析;最后给出了整个双频阵列的实测结果,与仿真理论值吻合较好。该阵列天线具有宽频带(806～960MHz、1710～2170MHz)、低剖面(35mm)、高极化隔离、结构紧凑、方位面波瓣恒定(65±6°)等优点,适合用于双频基站系统或星载/舰载通信系统。 关键词: 基站天线,双频,双极化,印刷偶极子,圆环天线 A Novel Low2Profile,Dual2Band,Dual2Pol ari zati on Broadband Array Antenna W ANG Hong2x i n g1,L I U X i2guo1,L I U M i n2, (1.D epart m ent of Electronic Engineering,N aval A eronautical Engineering A cade m y,Yantai264001,China; 2.Teleco mm unication Engineering Institute,A FEU,X i’an710077,China) Abstract: I n this paper,a novel dual2band br oadband array antenna with l ow p r ofile and dual polarizati on is p r oposed and devel oped experi m entally.The array is f or med by novel arc2p r obe2fed annular ring elements and pairs of cr oss m icr ostri p di poles nested t ogether.The band width of the annular ring antenna is i m p r oved thr ough arc2p r obe2fed technique.The meas2 ured i m pedance band widths deter m ined by VS WR<2cover806～960MHz and1710～2170MHz.The port is olati on and the sy mmetry of the radiati on for the l ower band are i m p r oved by the"anti2phase and dual2feed"technique which als o reduces the cr oss polarizati on level.The influences on the radiati on patterns of upper band caused by the phase err or are invested and the radiati on patterns are i m p r oved thr ough the phase co mpensati on.The array is designed and the si m ulated and measured results are p resented.The p r oposed array antenna is highly app licable t o the base stati on of multi2band operati ons and satel2 lite/shi pborne communicati ons. Key words: Base stati on antenna,Dual2band,Dual2polarizati on,Printed m icr ostri p di pole,Annular antenna 引 言 目前,在我国现有的GS M基站和CDMA基站密布的状况下,第三代移动通信系统建设中大量新建3G基站存在选址困难且成本昂贵等问题[1]。采用双频基站天线代替现有天线可以在不增加新基站的基础上实现站址共享,是3G系统建设中一种非常可行的方案。但是,目前f 1 /f2≈2的双频天线产品大都采用双排阵列结构,结构复杂,体积笨重且价格昂贵。设计新的低剖面、小尺寸、性能优良的双频双极化基站天线具有很强的理论和实际意义。 近年来,已有许多学者对双频或双极化天线单元进行了研究,提出了许多方案,但都存在问题。Z.Zaharis[2]研制成功一种加有多个寄生振子的垂 3收稿日期:2006206206;定稿日期:2005210211
ＧＰＳ圆极化微带天线设计 1.1微带天线简介 微带天线是在一块厚度远小于工作波长的介质基片的一面敷以金属辐射片，一面全部敷以金属薄膜层做接地板而成。GPS天线通常使用平面天线和螺旋形天线。近年来微带天线由于具有重量轻，体积小，易于实现圆极化。而GPS功能在个人行动通讯设备特别是手机中的普及，更使得GPS天线的小型化研究成为十分热门的话题。 1.2GPS微带天线结构与原理 上图是一个简单的微带天线结构，由辐射元，介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数为辐射元的长度L,辐射元的宽度W，介质层的厚度h,介质的相对介质电常数εr ，介质的长度和宽度。 1.3辐射机理 理论上可以采用传输线模型来分析其性能，假设辐射贴片的长度近似的为半波长，宽度为w,介质基片厚度为h,工作波长为λ；我们可以将辐射贴片，介质基片和接地板视为一段长度为λ/2的低阻抗微带传输线，在传输线的两端断开形成开路。由于介质基片厚度h<<λ，故电路沿着h方向基本没有变化。最简单的情况可以假设电场沿着宽度w方向也没有变化。那么在只考虑主模激励（TM10模）的情况下辐射基本上可以认为是由辐射贴片开路的边缘引起的。在两开路的电场可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，由于辐射贴片长度约为半个波长，所以两垂直分量方向相反，水平分量方向相同。因此，两开路端的水平分量电场可以等效为无限大平面上同相激励的那个缝隙，缝隙的宽度为ΔL（近似等于基片厚度h），长度为w，等效缝隙相距为半波长，缝隙的电场沿着w方向均匀分布，电场方向垂直于w。 1.4微带天线贴片尺寸估算
设计高效率辐射的宽度w,2 1212-??? ??+=r f c w ε 式中C 为光速。 辐射贴片的长度一般为2e λ，这里的e λ是介质内的导波波长，即 e λ=e f c ε 考虑到边缘缩短效应后，实际的辐射单元长度L 应为 L=e f c ε-2ΔL 式中e ε是有效介电常数，ΔL 是等效辐射缝隙长度， 同轴线馈电点的位置，宽度方向上馈电点的位置一般在中心点，在长度方向上边缘处（x=±L/2）的输入阻抗最高。由以下的公式计算出输入阻抗为50欧姆的馈电点位置： ??? ? ??=re 1-12L 1L ξ 2ＨＦＳＳ设计环境概述 2.1模式驱动求解。 2.2建模操作。 模型原型：长方体，圆柱体，矩形面，圆面。 模型操作：相减操作。 2..3边界条件及激励： 边界条件：有限导体边界，辐射边界. 端口激励：集总端口激励。 2.4求解设置。 求解频率：１.６ＧＨｚ 扫频设置：快速扫描，频率范围：１～２ＧＨｚ 2..5Ｏｐｔｉｍｅｔｒｉｃｓ 参数扫描分析 优化设计 2.6数据后处理：Ｓ参数扫描曲线，３Ｄ辐射方向图。 3.1仿真模型
宽带圆极化微带天线设计 关键词：微带天线，X波段，设计，分析，HFSS，仿真
目录 1 绪论 (1) 1.1 本课题研究背景 (1) 1.2 微带天线的发展 (1) 1.3 微带天线的优缺点 (2) 1.4 本课题研究内容 (3) 2 微带天线基本概念及原理 (5) 2.1 天线的基本概念 (5) 2.2 天线的辐射原理 (6) 2.3 天线的基本参数 (6) 2.3.1 天线的极化 (7) 2.3.2 天线方向图的概念 (7) 2.3.3 天线输入阻抗的计算方式 (8) 2.3.4 天线的谐振频率与工作频带宽带 (8) 2.3.5 天线的驻波比 (9) 2.4 微带天线的简介 (10) 2.4.1 微带天线的结构与分类 (10) 2.4.2 微带天线的辐射机理 (10) 2.4.3 微带天线的形状 (11) 2.5 微带天线的分析方法 (11) 2.5.1 传输线模型法 (11) 2.5.2 空腔模型法 (13) 2.5.3 积分方程法 (13) 2.6 微带天线的馈电方法 (14) 2.7 微带天线圆极化技术 (15) 2.7.1 圆极化天线的原理 (15) 2.7.2 圆极化实现技术 (16) 3 宽带异形贴片微带天线设计 (21) 3.1 微带天线的仿真 (21) 3.2 Ansoft HFSS高频仿真软件的介绍 (21) 3.3 HFSS对具体实例的仿真 (21)
3.3.1 选取微带天线模型 (21) 3.3.2 微带天线的仿真优化 (23) 4 双点馈电圆形圆极化微带天线设计 (35) 4.1 HFSS对圆极化微带天线的仿真 (35) 4.1.1 选取圆极化微带天线模型 (35) 4.1.2 圆形圆极化微带天线的仿真优化 (35) 5 总结结论及展望 (41) 参考文献 (42)
12.5GHz 4×4微带天线阵列的设计详细教程 随着无线通信技术的迅速发展，小型化、大容量的通信系统成为现在以至于为来的主要发展目标。由于双极化天线具有同频段的双通道通信、提高通信容量、实现双工操作、可以提高系统灵敏度、抗多径效应等性能，从而日益得到人们的青睐。由于微带贴片天线在馈电方式和极化制式的多样化，以及馈电网络、有源电路集成一体化等方面具有很多的优点，从而采用双极化天线成为提高通信容量的一种比较实际的做法。目前常用的双极化工作方式主要有两类，第一就是利用方贴片作为辐射单元，对方贴片天线采用正交边双馈电就能激励一对极化方向相互垂直的辐射波。第二就是利用不同层的天线阵列分别实现不同的极化，缺点是结构复杂，制作困难，造价高。我们采用在同一平面上实现两种极化方式，贴片单元的馈电方式却不用改变。本文就是设计实现了这种双极化微带天线阵列的组阵单元－44天线阵列。 1 微带天线阵列的设计本文采用的贴片天线的基本结构如图1所示，其中图（a）为天线结构，由贴片层、介质层和接地层组成。图（b）为微带贴片单元的基本结构。通过调整微带贴片单元的馈电方式就可以实现水平、垂直极化两种极化方式。图（c）为最基本的组阵单元22的结构图。 设计过程中贴片层和接地层都采用铜，介质层采用介电常数为 2.2的Rogers RT/duroid 5880。根据天线工作的中心频率12.5GHz，微带贴片天线单元的长和宽、反馈部分的长宽、组阵单元之间的阻抗匹配以及其他相关数据都可以通过计算或者仿真优化得到。根据以上的计算及仿真数据，我们制成了天线的PCB板，44微带天线阵列的实物图如图2所示。 我们通过Ansoft HFSS仿真软件对天线阵列首先进行了仿真计算，图3为44微带天线阵列驻波和增益的仿真图。从左图的驻波仿真结果中，可以看到天线阵列在12.5GHz时的驻波为1.2左右；从右图的增益仿真结果中可以看到，天线阵列的增益可以达到20dB左右。然后将制成的PCB板拿到微波暗室中对其进行实际测试（暗室的长、宽、高分别为15m、
https://www.doczj.com/doc/ab1557565.html, 圆极化全向天线技术 胥亚东，阮成礼 电子科技大学物理电子学院，成都（610054） E-mail： 摘要：圆极化全向天线由于其自身性能特点，在现代的无线应用中，越来越受到广泛的关注。本文主要归纳总结了圆极化全向天线的研究进展，探讨了圆极化全向天线的各种实现方法，及其中的各个关键问题，并讨论了各种方案具体设计方案、影响因素、过程原理，及其优劣性，在此基础上，对圆极化全向天线的研究发展趋势提出了展望。 关键词：圆极化天线，全向天线 中图分类号：TN820.1+1 1．引言 天线的极化作为天线性能的一个重要参数，是指在一个发射天线辐射时，其最大辐射方向上，随着时间变化电场矢量（端点）在空间描出的轨迹。天线的极化形式分为线极化，圆极化和椭圆极化三种。线极化和圆极化是椭圆极化的特例。圆极化又分为正交的左旋和右旋圆极化。椭圆极化波可分解为两个旋向相反的圆极化波[1]。 随着科学技术和社会的不断发展，对天线的性能要求也越来越高，在现代的无线应用系统中，普通的线极化天线已很难满足人们的需求，圆极化天线的应用越来越广泛，其主要特点主要体现在以下几个方面[2-4]：1.圆极化天线可接收任意极化的来波，且其辐射波也可由任意极化天线收到；2.圆极化天线具有旋向正交性；3.极化波入射到对称目标（如平面、球面等）时旋向逆转，不同旋向的电磁波具有较大数值的极化隔离。由于圆极化天线具有以上特点，因此，被广泛使用在通信、雷达、电子侦察与电子干扰等各个方面，研究圆极化天线具有巨大的社会效益、经济效益和军事效益。 任意圆极化波可分解为两个在空间、时间上均正交的等幅线极化波，由此得到实现圆极化天线的基本原理：即产生两个空间正交的线极化电场分量并使二者振幅相等（即简并模），相位差90°[5]。尽管圆极化天线形式各异，但产生机理万变不离其宗。反映在史密斯圆图中，两简并模的恰当分离对应阻抗曲线出现一个尖端（cusp）。圆极化天线的基本电参数是最大增益方向上的轴比，即任意极化波的极化椭圆长轴（2A）与短轴（2B）之比[6]： ?A?AR=20lgr=20lg?? ?B?
天线CAD大作业 学院：电子工程学院 专业：电子信息工程
微带天线设计 一、设计要求： （1）工作频带1.1-1.2GHz ，带内增益≥4.0dBi ，VSWR ≤2:1。微波基板介电常数为r ε = 6，厚度H ≤5mm ，线极化。总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR 、方向图等。 （2）拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果。 二、设计步骤 计算天线几何尺寸 微带天线的基板介电常数为r ε= 6，厚度为 h=5mm,中心频率为 f=1.15GHz,s m /103c 8?=天线使用50Ω同轴线馈电，线极化，则 （1）辐射切片的宽度2 1 )2 1(2-+=r f c w ε=69.72mm （2）有效介电常数2 1)12 1(2 1 2 1 r e - +-+ += w h r εεε=5.33 （3）辐射缝隙的长度) 8.0/)(258.0() 264.0/)(3.0(h 412.0+-++=?h w e h w e L εε=2.20 （4）辐射切片的长度L e f c L ?-=22ε=52.10mm （5）同轴线馈电的位置L1 21 )121(21 2 1)(re -+-+ += L h r r L εεξ=5.20 )1 1(21re L L ξ-= =14.63mm 三、HFSS 设计 （1）微带天线建模概述 为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下：
微带天线的HFSS设计模型如下： 立体图俯视图 模型的中心位于坐标原点，辐射切片的长度方向沿着x轴，宽度方向沿着y 轴。介质基片的大小是辐射切片的2倍，参考地和辐射切片使用理想导体来代替。对于馈电所用的50Ω同轴线，这用圆柱体模型来模拟。使用半径为0.6mm、坐标为（L1，0,0）；圆柱体顶部与辐射切片相接，底部与参考地相接，及其高度使用变量H表示；在与圆柱体相接的参考地面上需要挖一个半径为1.5mm的圆孔，作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50Ω。模型建立好后，设置辐射边界条件。辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4波长，1.15GHz时自由空间中1/4个波长约为65.22mm，用变量length 表示。 （2） HFSS设计环境概述 ＊求解类型：模式驱动求解。 ＊建模操作 ①模型原型：长方体、圆柱体、矩形面、圆面。 ②模型操作：相减操作 ＊边界条件和激励 ①边界条件：理想导体边界、辐射边界。 ②端口激励：集总端口激励。 ＊求解设置：
1.1.1三频电调天线电气性能指标 三频电调天线支持频段分别为DCS1800（1710MHz～1850MHz）、FA（1885MHz～1920MHz、2010MHz～2025MHz）和D（2575MHz～2635MHz），共6个端口，每频段2个端口。相关电气指标要求示于表11-17：
均功率容限测试可采用4个edge信号进行测试，每个通道输入总功率为50W的功率；对F和D频段输入LTE信号，每个通道输入总功率为50W的功率；对A频段输入TD-SCDMA信号，每个通道输入总功率为50W的功率。 1.1.2四频电调天线电气性能指标 四频电调天线支持频段分别为GSM900（885MHz～960MHz）、DCS1800（1710MHz～1850MHz）、FA（1885MHz～1920MHz、2010MHz～2025MHz）和D （2575MHz～2635MHz），共8个端口，每频段2个端口。相关电气指标要求示于表11-18：
注释：GSM900/DCS1800/FA/D的峰值功率应该达到1200W，500W，500W和800W。对GSM900和DCS1800的平均功率容限测试可采用4个edge信号进行测试，每个通道分别输入总功率为120W和50W的功率；对F和D频段输入LTE信号，每个通道输入总功率为50W的功率；对A频段输入TD-SCDMA信号，每个通道输入总功率为50W的功率。 其它机械指标要求 对TDD及WLAN系统双极化天线设备长度、宽度、重量、接头形式和长度、以及排水孔等机械指标要求如下： 1.长度和宽度的机械尺寸约定如下： 1）TD-LTE系统宽频FAD智能天线、普通窄带FA智能天线（不包含F频段高增益智能天线）、单D智能天线、内置合路器智能天线以及电调智能天线的长度不大于1400mm；F频段高增益智能天线长度不大于2000mm。天线长度的选取应以满足9.1、9.2节、9.3节中机械固定需求为基本前提，若为盲插端口，保证在RRU设备安装完成后，RRU下边缘与天线下支架之间至少预留300mm的RRU操作空间。 2）TD-LTE系统宽频智能天线、普通窄带FA智能天线（不包含F频段高增益智能天线）、单D智能天线、内置合路器智能天线、电调智能天线宽度小于320mm （包括内置合路器独立电调天线）；F频段高增益智能天线宽度小于380mm； 盲插端口形式的天线宽度介于356mm～400mm之间；天线宽度的选取应以满足 9.1、9.2节中机械固定需求为基本前提，并保证在盲插端口情况下RRU设备 安装完成后，RRU下边缘与天线下支架之间至少预留300mm的RRU操作空间。 3）17dBi增益（65度水平波束）的TD-LTE系统常规双通道天线的长度不大于1400mm，宽度不大于160mm；14.5dBi增益（65度水平波束）的TD-LTE系统常规双通道天线的长度不大于700mm，宽度同样不大于160mm。12dBi增益（65度水平波束）的TD-LTE双通道天线的长度不大于400mm，宽度不大于160mm。 20dBi增益（32度水平波束）的用于高铁覆盖的TD-LTE双通道天线（包含电调）的长度不大于1400mm，宽度不大于320mm。15dBi增益的窄波束（32度水平波束）的TD-LTE双通道天线的长度不大于400mm，宽度不大于320mm。 4）17dBi增益、65度水平波束的TD-LTE系统双通道电调天线的长度不大于
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 Structure An tingting1Zhang wenmei1 (College of Physics and Electronics Engineering, Shanxi University of China, Taiyuan 030006)1 Abstract: 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 antenna 1 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。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)
2004年4月重庆大学学报 Apr.2004 第27卷第4期Journal of Chongqing University Vol.27 No.4 文章编号:1000-582X (2004)04-0057-04 圆极化微带天线的设计与实现 Ξ 韩庆文,易念学,李忠诚,雷剑梅 (重庆大学通信学院,重庆 400030) 摘 要:圆极化微带天线是一种低剖面的天线元,研究圆极化微带天线的特性在天线设计中显得十 分重要,而微带贴片天线的馈电位置的确定是设计的关键。针对单端侧馈五边形圆极化微带天线进行了详细分析和论述;简要介绍了微带天线的实现方法,并介绍了一种用于分析多边形微带天线的有效方法———有限元分析法;通过对一个5.6GHz 的五边形圆极化微带天线的研究设计,给出了圆极化微带天线的设计过程,找到了确定馈电点位置的合理方法,采用HFSS 软件进行优化设计,进行仿真,给出了合理的仿真结果。 关键词:微带天线;圆极化;轴比;五边形;方向图;电压驻波比;带宽 中图分类号:TN820.11 文献标识码:A 目前简单的线极化天线已很难满足人们的需求,这就使得圆极化微带天线倍受青睐。 但在微带天线的分析中,近似处理较多,使得天线的设计准确性并不太好,微带贴片天线的馈电位置的确定往往需要实验调整的方法进行研究。另外由于微带天线的频带窄,设计尺寸的微小误差都会造成天线谐振频率的偏离,极化特性也会变差。在实际工作中由于介质基片的离散性,也影响了谐振频率的准确性[1]。针对上述问题,特别对圆极化微带天线的设计过程进行了深入的分析;通过应用HFSS 高频结构软件仿真,使天线的性能得到了优化。 1 微带天线 微带天线是一种基于微带传输线的天线。它有多种形式,按结构特征,可把微带天线分为两大类,即微带贴片天线和微带缝隙天线;常用的一类,是贴片微带天线。贴片可以是矩形、圆形、椭圆形及其它形状,在此选用五边形贴片。 微带天线的辐射,是由微带天线边沿和接地板之间的边缘场产生的。以矩形贴片为例,其辐射场的示意图如图1所示。 图1 矩形微带天线的场图 微带天线分析的基本问题是,求解天线周围空间 建立的电磁场;求得电磁场后,进而得出其方向图、增益和输入阻抗等特性指标,另外,微带天线的馈电,对天线的性能有至关重要的作用。馈线的长度和宽度直接影响着天线的谐振频率;馈电点的位置决定着天线边沿上的电流幅度、相位分布以及谐振频率。因此,对馈电方式的选择是设计成功与否的关键因素[2]。在本设计中采用微带线馈电。 2 圆极化微带天线的实现 微带天线要获得圆极化波的关键是,激励起两个极化方向正交的、幅度相等的、相位相差90°的线极化波[3]。当前用微带天线实现圆极化辐射主要有以下几种方法: Ξ 收稿日期:2003-11-08 基金项目:重庆市应用基础研究资助项目(2003-7960) 作者简介:韩庆文(1969-),女,重庆人,重庆大学工程师,硕士,主要从事微波通信、天线理论及天线设计的科研教学工作。
A Single-Feeding Circularly Polarized Microstrip Antenna With the Effect of Hybrid Feeding Hyungrak Kim,Byoung Moo Lee,and Young Joong Yoon ,Member,IEEE Abstract—In this paper,a single series feeding cross-aperture coupled microstrip antenna with the effect of hybrid feeding is pro-posed and demonstrated.To better understand this antenna,the characteristics according to the variation of parameters are shown.This proposed antenna has the following advantages of the effect of hybrid feeding,improved axial ratio bandwidth (4.6%),high gain (8dBi),and flat 3-dB gain bandwidth (above 16.7%).In measured radiation patterns,we have 3-dB beamwidth of 30and good F/B of 20dB. Index Terms—Effect of hybrid feeding,microstrip antenna. I.I NTRODUCTION W ITH rapid development of wireless communication system,many kinds of circularly polarized (CP)antennas have been studied since CP antennas are often preferred in satellite communication,Global Positioning System (GPS),and radar system.In general,feeding structure of CP antenna may be divided into single and hybrid feeding.A single-feeding CP antenna provides simple structure,easy manufacture,and advantage in array with small size.However,it has narrow axial ratio bandwidth.Hybrid feeding gives complex structure,difficult manufacture,and increased antenna size,but it provides wide axial ratio bandwidth.Thus,in the design of CP antenna,a tradeoff of characteristics between two feeding methods is required. In CP antenna,axial ratio bandwidth is the most important factor in design since it is the most limiting factor for oper-ating factor.Therefore,many kinds of CP antennas have been studied to obtain wide axial ratio bandwidth [1]–[4].Recently,CP antennas to obtain wide axial ratio bandwidth using single feeding have been studied to improve disadvantages of hybrid feeding,e.g.,large antenna size and complex structure.Cross-aperture coupled microstrip antennas [5],[6]were proposed and analyzed,but it still has narrow axial ratio bandwidth (2.5%),narrow gain bandwidth (3.27%for 3-dB),and low antenna gain (5dBi).Another improvement was suggested by Aloni et al.[7],where traveling wave type CP antenna was introduced.How-ever,it has very low gain and low radiation efficiency,and nar-rower gain bandwidth than reasonably wide axial ratio band-width and impedance bandwidth.Therefore,not only wide axial ratio and impedance bandwidth,but also other enhanced charac-teristics,e.g.,high gain,flat-gain bandwidth,and similar radia-tion patterns in operating frequencies are needed in CP antenna for practical wireless communication system. Manuscript received February 20,2003;revised April 9,2003. The authors are with the Department of Electrical and Electronic Engi-neering,Yonsei University,Seoul,Korea (e-mail:okebari@mwnat.yonsei.ac.kr;binny@mwnat.yonsei.ac.kr;yjyoon@mwnat.yonsei.ac.kr).Digital Object Identifier 10.1109/LAWP.2003.813382 (a) (b) Fig.1. (a)Side view and (b)bottom view of the proposed antenna. In this paper,we propose a resonant type single series feeding CP microstrip antenna.Series feeding is suggested to obtain wide axial ratio bandwidth and flat gain bandwidth.Also,cross-aperture with short length is used to provide high gain. II.A NTENNA D ESIGN The configuration of the proposed antenna is shown in Fig.1.It is composed of the two layers and air-gap.The rectangular patch,whose physical dimensions are 45 mm 45mm at center frequency of 2.4GHz,is on the upper layer,and series feeding line under the lower layer is positioned close behind cross-aper-ture.For the upper and lower layer,Duroid 5880substrate with 0.5-oz copper,62-mil substrate height,and dielectric constant of 2.2and FR-4substrate with 1-oz copper,0.8-mm substrate height,and dielectric constant of 4.6are used,respectively.As shown in Fig.1(b),series feeding line is placed behind cross-aperture,and a quarter-wavelength section of feeding line is positioned between each arm of aperture to create the 90phase difference for circular polarization.Series feeding brings into sequential rotation of current on the surface of radiating 1536-1225/03$17.00?2003IEEE
毫米波圆极化微带天线的研究 圆极化波的产生： 微带天线中存在何种模式完全取决于贴片的形状和激励模型,当馈电点位于贴片的对角线上时,天线中可以同时维持乃订。和刀怀。模,两种主模同相且极化正交,结果导致辐射波的极化方向与馈电点所在对角线平行,单点馈电的准方形贴片、方形切角贴片和四周切有缝隙的方形贴片天线等均可以辐射圆极化波。用微带天线产生圆极化波的关键是产生两个方向正交的,幅度相等的,相位相差”的线极化波。当前用微带天线实现圆极化辐射主要有几种方法一点馈电的单片圆极化微带天线正交馈电的单片圆极化微带天线由曲线微带构成的宽频带圆极化微带天线微带天线阵构成的圆极化微带天线等等。 圆极化波的性质： 根据天线辐射的电磁波是线极化或圆极化,相应的天线称为线极化天线或圆极化天线。圆极化波具有以下的性质〕 （1）圆极化波是一个等幅的瞬时旋转场。即沿其传播方向看去,波的瞬时电场矢量的端点轨迹时一个圆。若瞬时电场矢量沿产波方向按左手螺旋的方向旋转,称之为左旋圆极化波,记为LCP(Left-Hand Circular Polarization);若沿传播方向按右手螺旋旋转,称之为右旋圆极化波,记RCP(Right-Hand Circular Polarization), （2）一个圆极化波可以分解为两个在空间上和在时间上均正交的等幅线极化波。由此,实现圆极化天线的基本原理就是产生两个空间上正交的线极化电场分量,并使二者振幅相等,相位相差度。 （3）任意极化波可以分解为两个旋向相反的圆极化波。作为特例,一个线极化波可以分解为两个旋向相反、振幅相等的圆极化波。因此,任意极化的来波都可由圆极化天线收到反之,圆极化天线辐射的圆极化波也可以由任意极化的天线收到。这正是在电子侦察和干扰等应用中普通采用圆极化波的原因。 （4）天线若辐射左旋圆极化波,则只接受左旋圆极化波而不接收右旋圆极化波反之,若天线辐射右旋圆极化波,则只接收右旋圆极化波。这称为圆极化天线的旋向正交性。其实,这一性质就是发射和接收天线之间的互易定理。在通信和电子对抗等应用中的广泛利用这个性质。例如国际通信卫星号上的多波束发射天线辐射右旋圆极化波,形成两个东、西“半球波束”同时也辐射左旋圆极化波,形成两个照射不同地区的“区域波束”,这四个波束都工作于频段而互不干扰,从而实现四重频谱服用,增加了通信容量。 （5）圆极化波入射到对称目标如平面、球面等时,反射波变成反旋向的,即左旋波变成右旋,右旋变成左旋。