2006年第3期 空间电子技术
SPACE ELECTRON I C TECHN O L OGY 61
一种宽频带圆极化微带天线的设计
陈腾博 焦永昌 张福顺
(西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室, 西安710071)
摘 要 设计了一种宽频带圆极化微带天线。其结构为双层介质与空气层结合, 辐射
贴片为单个圆形金属片, 通过电容耦合馈电的两个圆形金属片与威尔金森功分器相接, 功分
器的两个端口输出的功率幅度相同, 相位相差90 。天线的3dB 极化带宽为56%, VS WR
2的驻波比带宽为64%, 增益在52%的带宽范围内变化在1dB 以内。天线的远场方向图极
化特性在35%的带宽范围内较好。
主题词 宽频带 圆极化 微带天线 功率分配器
1 引 言
微带线结构具有质量轻、体积小、易于馈电、易于与载体共形安装等特点, 因此在微波集成电路、天线和天线阵列中被广泛应用。微带天线结构比较简单, 实际上就是一块印刷电路板, 全部功率分配器、匹配网络、辐射器都可以刻在介质板的一侧, 另一侧为金属地板。但微带天线的带宽较窄, 是其技术发展的一个瓶颈。目前军用和民用多点通信系统对天线工作频率范围要求较大, 太窄的带宽导致很多微带天线不能满足技术要求而被弃用。微带天线的圆极化工作可以通过使用两个独立的馈源或是使用一分二功分器的单个馈源来激励实现, 前者的带宽较窄, 3dB 轴比带宽为1%[1]。为了获得较宽的工作频带, 本文考虑一种空气层与高介电常数介质层结合的天线形式, 采用双层介质, 中间为真空层, 辐射片为一个圆形贴片。为了在要求的频带内实现圆极化, 馈电采用双电容耦合馈源。采用这种馈电形式, 天线方向图的后向辐射很小, 使用较大的接地板可以进一步缩小天线的后向辐射。功分器选用了威尔金森功分器[2]。
2 天线设计
2. 1 威尔金森功分器的设计
威尔金森功分器的结构如图1所示。功分器可以看
作是一个三端口网络, 每个端口的阻抗都是匹配的。端
口1为输入端, 端口2、3为输出端。两个输出端之间是
互相隔离的(S 23=S 32=0) 。功分器的两个 /4长度的
2Z 0, Z 0=50 。
通过分析可以得到威尔金森功分器的S 参数矩阵:
图1 威尔金森功分器的结构
基金项目:国家自然科学基金(60171045) )
25
62
0 1 j [S ]=1 0 1 0 空间电子技术 2006年第3期(1)
在本文所设计的天线馈电系统中, 3端口和2端
口的输出幅度相同、相位相差90 , 可以形成左旋圆极
化波, 当端口2超前90 时可以形成右旋圆极化波。
通过在相应的端口连接一个 /4的50 微带线, 可以
实现要求的相移。
2. 2 天线结构设计
本文研究的天线采用两层介质和空气层结合的结
构设计。基本结构见图2, 基本参数如表1所示。
表1 天线结构的基本参数f /GHz
!
! e
e /mm
h /mm
R /mm254. 43. 33246. 5740. 22. 1 2/mmr /mml 1/mml 2/mmd /mm 1/mm0. 20. 4110. 21. 650. 385图2 宽频带天线的结构
本文在设计了天线的各项基本常数后, 借助于
ANSOFT H FSS9. 0计算软件对天线系统进行了仿真分
析, 仿真模型如图3所示。在设计中进一步优化天线
结构, 得到在满足工程应用各项指标情况下的设计模
型。
由图3可以看出威尔金森功分器将馈源输入的信
号分成两路等幅不同相的信号, 通过穿过下层介质和
接地板的两个金属柱馈入馈点电容膜片, 从而形成圆
极化辐射。
表中! 为介质层的相对介电常数, 在设计中可以
采用FR4介质, ! e 为微带中的等效介电常数,
e 为微
带的等效波长, 1为50 微带线的宽度、 2为100
微带线的宽度。两个介质层的厚度相同, 都为0.
2mm , 接地板的尺寸为10mm 10mm 。h 为介质层的
厚度, l 1为接地板到辐射介质层的距离, l 2为辐射介
质层到电容馈电片的距离, 通常h 需要远小于l 1。R
为圆形辐射贴片的半径, 而r 为馈电电容片的半径, d
为馈电点的位置。
本文设计的微带天线各组成部分之间的相互关系
见表2。表2 天线的设计依据R =0 328 e l 1=0 082 0d =0 251 e r =0 19R l 2=0 205图4 天线轴比仿真结果图3 天线的AN SOFT 仿真模型
2006年第3期 陈腾博等:一种宽频带圆极化微带天线的设计633 仿真分析结果
由上面的分析可以知道当2端口相位超前3端口90 时形成左旋圆极化波, 反之得到右旋圆极化波。通过对天线结构的优化仿真,
可以使天线在较宽的频带内得到较好的结果。
图4给出了天线的轴比特性曲线, 3dB 轴比带宽为14. 2GH z , 相对于设计的中心频率25GH z 可以得到56%的归一化带宽。图5为天线的驻波比曲线, 由图形可以看出VS WR
。
图7~图10为天线在f =21GH z 和f =28GH z 的远场左旋辐射方向图曲线, 由图形可以看出天线的左旋圆极化特性很好; 根据轴比和驻波的特性曲线, 在21GH z~28GH z 的频带范围内, 天线的左旋方向图特性较好。
4 结 论
本文研究的宽频带圆极化微带天线的主要结构特点是采用双电容耦合片馈电, 其功率分配采用, 4
64空间电子技术 2006年第3期在不同的端口加载可以得到左旋或右旋圆极化。通过对系统的仿真分析可以看出天线的极化特性较好, 3dB 轴比带宽达到56%, VS WR
参考文献
1 鲍尔I J , 布哈蒂亚P. 微带天线. 北京:电子工业出版社. 1985
2 V andenbosch G A E and V an de Cape lle A R. Study o f the capac itive l y fed m i crostrip an tenna.
P ropagat . , V o. l 42:1648~1652, 1984
3 G ard i o l F E and Zue rcher J F. Broad band patch antennas A SSF IP update .
June 11, 1998
5 P ozar Dm and D uffy SM. A dual band c i rcularly po larized apert ure coupled stacked m i crostr i p antenna for g l oba l position sa tellite . IEEE T rans . on A ntennas P ropagat , V o. l 45, 1618~1625, N ov 1997
6 W ong K i nlu . B road band s i ng le pa tch circu l ar l y po larized m icro stri p antenna w it h dual capacti ve l y coupled feeds . IEEE T rans . on A ntennas and P ropagati on . V o. l 49, N o . 1, Jan . 2001i n IEEE AP S , Int . Symp . D ig . 1996:2~54 H s i eh K B , chen m H and W ong K L. S i ng le feed dua l band c i rcularly po l a rized an tenna . E l ectron . L ett . 1170~1171, IEEE T rans . A ntennas
作者简介
陈腾博 1979年生, 2001年毕业于西安电子科技大学磁场与微波技术专业, 现在西安电子科技大学天线与电磁散射研究所攻读博士学位。主要从事高频段基载天线相控阵馈源的研究。
焦永昌 1964年生, 教授, 博士生导师。主要从事电磁场与微波技术研究和教学工作, 主要研究方向:高性能天线设计和电磁散射。
The desi gn of Broad Band C ircu l arly Po l arized m icrostri p A ntenna
C H EN T eng bo JI AO Yong chang Zhang Fu shun
(National Laborator y of Antennas andm icro w ave Techno logy , X idian Un i v ersity , X ia ' n 710071, China) Abst ract A broad band circu larl y po larizedm icrostri p antenna i s presented i n th i s paper . The str uc ture o f antenna is the co m bi n ation o f dual substrate and a ir , sing le c ircular m etal disk as rad i a te patch . The dua l c ircu lar m eta l disk feed by capaciti v e l y coupled contactw ith the W ilkinson pow er div i d er , the po w er of t h e t w o output are equa l i n a m plit u de and 90degree phase sh if. t The 3dB ax ial rati o bandw i d th as large as 56%, the VS WR
Subj ect Ter m Broad band , circu larl y po l a rizedm icrostri p an tenna , W il k i n son po w er div i d er
(上接第53页)
参考文献
1 M iller R L. F rac tiona l frequency generators utilizi ng reg enerati vemodu l a ti on . P roc . I RE , V o. l 37, Ju l y 1939
2 H arr i son R G. T heory of regenerati ve frequency d i v i ders us i ng doub le ba l anced m i xe rs . IEEE 1989M TT S Internati onal M i crowave Symposi um D igest , L ong Beach , CA, USA, 13~15June 1989, V o. l 1:459~462
作者简介
裴秀媛 1980年生, 2003年毕业于西安电子科技大学通信工程专业, 现在西安空间无线电技术研究所电磁场与微波技术专业攻读硕士研究生。
陈建荣 1960年生, 空间微波技术国家重点实验室研究员、硕士研究生导师。研究方向为空间微波技术。
2006年第3期 空间电子技术
SPACE ELECTRON I C TECHN O L OGY 61
一种宽频带圆极化微带天线的设计
陈腾博 焦永昌 张福顺
(西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室, 西安710071)
摘 要 设计了一种宽频带圆极化微带天线。其结构为双层介质与空气层结合, 辐射
贴片为单个圆形金属片, 通过电容耦合馈电的两个圆形金属片与威尔金森功分器相接, 功分
器的两个端口输出的功率幅度相同, 相位相差90 。天线的3dB 极化带宽为56%, VS WR
2的驻波比带宽为64%, 增益在52%的带宽范围内变化在1dB 以内。天线的远场方向图极
化特性在35%的带宽范围内较好。
主题词 宽频带 圆极化 微带天线 功率分配器
1 引 言
微带线结构具有质量轻、体积小、易于馈电、易于与载体共形安装等特点, 因此在微波集成电路、天线和天线阵列中被广泛应用。微带天线结构比较简单, 实际上就是一块印刷电路板, 全部功率分配器、匹配网络、辐射器都可以刻在介质板的一侧, 另一侧为金属地板。但微带天线的带宽较窄, 是其技术发展的一个瓶颈。目前军用和民用多点通信系统对天线工作频率范围要求较大, 太窄的带宽导致很多微带天线不能满足技术要求而被弃用。微带天线的圆极化工作可以通过使用两个独立的馈源或是使用一分二功分器的单个馈源来激励实现, 前者的带宽较窄, 3dB 轴比带宽为1%[1]。为了获得较宽的工作频带, 本文考虑一种空气层与高介电常数介质层结合的天线形式, 采用双层介质, 中间为真空层, 辐射片为一个圆形贴片。为了在要求的频带内实现圆极化, 馈电采用双电容耦合馈源。采用这种馈电形式, 天线方向图的后向辐射很小, 使用较大的接地板可以进一步缩小天线的后向辐射。功分器选用了威尔金森功分器[2]。
2 天线设计
2. 1 威尔金森功分器的设计
威尔金森功分器的结构如图1所示。功分器可以看
作是一个三端口网络, 每个端口的阻抗都是匹配的。端
口1为输入端, 端口2、3为输出端。两个输出端之间是
互相隔离的(S 23=S 32=0) 。功分器的两个 /4长度的
2Z 0, Z 0=50 。
通过分析可以得到威尔金森功分器的S 参数矩阵:
图1 威尔金森功分器的结构
基金项目:国家自然科学基金(60171045) )
25
62
0 1 j [S ]=1 0 1 0 空间电子技术 2006年第3期(1)
在本文所设计的天线馈电系统中, 3端口和2端
口的输出幅度相同、相位相差90 , 可以形成左旋圆极
化波, 当端口2超前90 时可以形成右旋圆极化波。
通过在相应的端口连接一个 /4的50 微带线, 可以
实现要求的相移。
2. 2 天线结构设计
本文研究的天线采用两层介质和空气层结合的结
构设计。基本结构见图2, 基本参数如表1所示。
表1 天线结构的基本参数f /GHz
!
! e
e /mm
h /mm
R /mm254. 43. 33246. 5740. 22. 1 2/mmr /mml 1/mml 2/mmd /mm 1/mm0. 20. 4110. 21. 650. 385图2 宽频带天线的结构
本文在设计了天线的各项基本常数后, 借助于
ANSOFT H FSS9. 0计算软件对天线系统进行了仿真分
析, 仿真模型如图3所示。在设计中进一步优化天线
结构, 得到在满足工程应用各项指标情况下的设计模
型。
由图3可以看出威尔金森功分器将馈源输入的信
号分成两路等幅不同相的信号, 通过穿过下层介质和
接地板的两个金属柱馈入馈点电容膜片, 从而形成圆
极化辐射。
表中! 为介质层的相对介电常数, 在设计中可以
采用FR4介质, ! e 为微带中的等效介电常数,
e 为微
带的等效波长, 1为50 微带线的宽度、 2为100
微带线的宽度。两个介质层的厚度相同, 都为0.
2mm , 接地板的尺寸为10mm 10mm 。h 为介质层的
厚度, l 1为接地板到辐射介质层的距离, l 2为辐射介
质层到电容馈电片的距离, 通常h 需要远小于l 1。R
为圆形辐射贴片的半径, 而r 为馈电电容片的半径, d
为馈电点的位置。
本文设计的微带天线各组成部分之间的相互关系
见表2。表2 天线的设计依据R =0 328 e l 1=0 082 0d =0 251 e r =0 19R l 2=0 205图4 天线轴比仿真结果图3 天线的AN SOFT 仿真模型
2006年第3期 陈腾博等:一种宽频带圆极化微带天线的设计633 仿真分析结果
由上面的分析可以知道当2端口相位超前3端口90 时形成左旋圆极化波, 反之得到右旋圆极化波。通过对天线结构的优化仿真,
可以使天线在较宽的频带内得到较好的结果。
图4给出了天线的轴比特性曲线, 3dB 轴比带宽为14. 2GH z , 相对于设计的中心频率25GH z 可以得到56%的归一化带宽。图5为天线的驻波比曲线, 由图形可以看出VS WR
。
图7~图10为天线在f =21GH z 和f =28GH z 的远场左旋辐射方向图曲线, 由图形可以看出天线的左旋圆极化特性很好; 根据轴比和驻波的特性曲线, 在21GH z~28GH z 的频带范围内, 天线的左旋方向图特性较好。
4 结 论
本文研究的宽频带圆极化微带天线的主要结构特点是采用双电容耦合片馈电, 其功率分配采用, 4
64空间电子技术 2006年第3期在不同的端口加载可以得到左旋或右旋圆极化。通过对系统的仿真分析可以看出天线的极化特性较好, 3dB 轴比带宽达到56%, VS WR
参考文献
1 鲍尔I J , 布哈蒂亚P. 微带天线. 北京:电子工业出版社. 1985
2 V andenbosch G A E and V an de Cape lle A R. Study o f the capac itive l y fed m i crostrip an tenna.
P ropagat . , V o. l 42:1648~1652, 1984
3 G ard i o l F E and Zue rcher J F. Broad band patch antennas A SSF IP update .
June 11, 1998
5 P ozar Dm and D uffy SM. A dual band c i rcularly po larized apert ure coupled stacked m i crostr i p antenna for g l oba l position sa tellite . IEEE T rans . on A ntennas P ropagat , V o. l 45, 1618~1625, N ov 1997
6 W ong K i nlu . B road band s i ng le pa tch circu l ar l y po larized m icro stri p antenna w it h dual capacti ve l y coupled feeds . IEEE T rans . on A ntennas and P ropagati on . V o. l 49, N o . 1, Jan . 2001i n IEEE AP S , Int . Symp . D ig . 1996:2~54 H s i eh K B , chen m H and W ong K L. S i ng le feed dua l band c i rcularly po l a rized an tenna . E l ectron . L ett . 1170~1171, IEEE T rans . A ntennas
作者简介
陈腾博 1979年生, 2001年毕业于西安电子科技大学磁场与微波技术专业, 现在西安电子科技大学天线与电磁散射研究所攻读博士学位。主要从事高频段基载天线相控阵馈源的研究。
焦永昌 1964年生, 教授, 博士生导师。主要从事电磁场与微波技术研究和教学工作, 主要研究方向:高性能天线设计和电磁散射。
The desi gn of Broad Band C ircu l arly Po l arized m icrostri p A ntenna
C H EN T eng bo JI AO Yong chang Zhang Fu shun
(National Laborator y of Antennas andm icro w ave Techno logy , X idian Un i v ersity , X ia ' n 710071, China) Abst ract A broad band circu larl y po larizedm icrostri p antenna i s presented i n th i s paper . The str uc ture o f antenna is the co m bi n ation o f dual substrate and a ir , sing le c ircular m etal disk as rad i a te patch . The dua l c ircu lar m eta l disk feed by capaciti v e l y coupled contactw ith the W ilkinson pow er div i d er , the po w er of t h e t w o output are equa l i n a m plit u de and 90degree phase sh if. t The 3dB ax ial rati o bandw i d th as large as 56%, the VS WR
Subj ect Ter m Broad band , circu larl y po l a rizedm icrostri p an tenna , W il k i n son po w er div i d er
(上接第53页)
参考文献
1 M iller R L. F rac tiona l frequency generators utilizi ng reg enerati vemodu l a ti on . P roc . I RE , V o. l 37, Ju l y 1939
2 H arr i son R G. T heory of regenerati ve frequency d i v i ders us i ng doub le ba l anced m i xe rs . IEEE 1989M TT S Internati onal M i crowave Symposi um D igest , L ong Beach , CA, USA, 13~15June 1989, V o. l 1:459~462
作者简介
裴秀媛 1980年生, 2003年毕业于西安电子科技大学通信工程专业, 现在西安空间无线电技术研究所电磁场与微波技术专业攻读硕士研究生。
陈建荣 1960年生, 空间微波技术国家重点实验室研究员、硕士研究生导师。研究方向为空间微波技术。