第31卷 第4期
2009年4月
现代雷达
Modern Radar
中图分类号:T N822+. 8
文献标识码:A
Vol . 31 No . 4
Ap r . 2009
・天馈伺系统・
文章编号:1004-7859(2009) 04-0077-03
一种宽带缝隙耦合微带天线
孙 丹, 章传芳, 施长海, 徐 志
1
1
1
2
(1. 中航雷达与电子设备研究院, 江苏无锡214063)
(2. 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:采用“hour glass ”形状缝隙设计了一种新型宽带缝隙耦合微带天线, 分析了缝隙参数对天线输入阻抗的影响。该天线使用了多层聚四氟乙烯介质, 不仅对贴片单元进行了保护, , , 因此便于阵列集成。研究结果表明, 该天线相对带宽超过30%(VSW R
M i crostr i p An tenna
S UN Dan , Z HANG Chuan 2fang , SH I Chang 2hai , XU Zhi
1
1
1
2
(1. Radar and Avi onics I nstitute of AV I C, W uxi 214063, China )
(2. Nati onal Laborat ory of Antennas and M icr owave Technol ogy, Xidian University, Xi ′an 710071, China )
Abstract:A wide 2band sl ot 2coup led m icr ostri p antenna is designed with an “hour glass ”shape sl ot in this paper . The antenna is stacked by a multi 2layer dielectric (PTFE ) which p r otects the antenna patch against envir on ment influences, and increases the configurati on strength . Mean while, the antenna is easy t o configure as an array due t o its si m p le geometry . The study results indi 2cate the band width of the antenna exceeds 30%(VS WR
Key words:sl ot 2coup led antenna; m icr ostri p antenna; br oadband antenna
0 引 言
微带天线具有尺寸小、重量轻、剖面低等优点, 广
[1]
泛应用于雷达和通信等领域。1985年, Pozar 提出了一种采用矩形缝隙进行耦合馈电的微带天线。这种天线通过接地板隔离了辐射层和馈电层, 消除了相互之间的影响, 并克服了传统馈电方式带来的电感效应和馈电网络的寄生辐射等缺点。但是, 它的带宽较窄, 在很多场合限制了它的应用。为了有效地展宽微带天线带宽, 国内外进行了大量的研究, 如采用多层贴片结构、采用介电常数接近1. 0的泡沫或者空气介
[4][5-7]
质作支撑材料、改变馈电结构和缝隙结构等。文献[8]介绍了一种“hour glass ”形状的缝隙结构, 同其他馈电结构相比, 具有耦合强度大和宽带等优点。本文设计了一种适用于X 波段的缝隙耦合微带天线, 具有宽带、易集成和机械强度高等优点。
[2]
结构、接地板和辐射贴片组成, 整体结构如图1所示。
天线整体高h, 辐射贴片大小为W x ×W y 。馈线通过接地板上的耦合缝隙对辐射贴片进行馈电
。
图1 “hour glass ”缝隙耦合微带天线
天线设计过程中, 首先是选择合适的介质, 包括介
质尺寸和材料等。为了降低微带天线的Q 值, 展宽天线的带宽, 可以增加介质层2的高度和减小介质层2的介电常数。但是, 介质层厚度过大会造成表面波的激励。要降低介电常数, 可采用空气介质或介电常数接近空气的泡沫材料等, 但这种方法也有其局限性, 主要原因是空气或者泡沫材料使得天线的机械强度减弱。缝隙的设计也是微带天线设计的关键技术之一, 包括缝隙的形状和大小等。缝隙的大小和形状影响着
—77—
1 天线设计及参数选择
“hour glass ”缝隙耦合微带天线由3层介质、馈电
通信作者:孙丹 E ma il:sun_dan@sina . com 收稿日期:2008212228修订日期:2009202216
馈电层和辐射层之间的耦合强度。而增大耦合强度,
可
[3]
以在一定程度上扩展天线带宽。本文采用了一种
[8]
“hour glass ”形状的缝隙结构, 如图2所示。其中, L 和W 分别是整个缝隙的长和宽, L 1和W 1为中心窄缝的长和宽, L 2为上下两端宽缝的长度, L s 为缝隙中心到馈线开路端的距离。相比同等长宽(L 和W ) 的矩形缝隙, 该缝隙结构在减小天线后向散射的同时, 增加了耦合强度。W f 为馈电微带线的宽度, L p 和W p 分别为接地板的长和宽。
缝隙中心和接地板的中心重合。
图4中的曲线说明了天线输入阻抗与中心窄缝的长度关系, 3条曲线对应的中心窄缝的长度分别为:L 1=0. 5mm , L 1=1. 5mm , L 1=2. 7mm 。可以看出, 中心窄缝长度的改变对天线的输入阻抗影响很小, 但在缝隙长度L 不变的情况下, 中心窄缝长度的增加可以减小缝隙面积
。
图2 馈电结构俯视图
图4 天线输入阻抗随L 1的变化关系
“hour glass ”形状的缝隙虽然增加了结构上的复
杂度, 但也给设计者提供了更多的自由度。该结构对天线性能的影响主要有缝隙宽度W 、中心窄缝的长L 1和上下两端宽缝的长度L 2等参数。减小缝隙宽度, 可以增加耦合强度; 适当增加中心窄缝的长度(缝隙长度L 保持不变) , 可以减小缝隙的面积, 降低后向散射, 且保证一定带宽; 增加上下两端宽边的长度, 可以减小天线输入阻抗的变化范围。
天线的输入阻抗与缝隙宽度的关系如图3所示, 3条阻抗曲线对应的缝隙宽度分别为:W =0. 4mm , W =1. 1mm , W =3. 7mm 。阻抗曲线离开路端越近, 说明
图5中的曲线说明了天线输入阻抗与上下两端宽缝的长度关系, 3条曲线所对应的长度分别为:L 2=0. 2mm , L 2=0. 8mm , L 2=1. 2mm 。可以看出, L 2增加有利于减小天线输入阻抗的变化范围, 实现较宽的阻抗带宽。但是, L 2也不宜太大, 否则会导致缝隙面积变大, 增加后向散射。
2 仿真结果
根据以上设计原则, 本文采用“hour glass ”形状的缝隙结构和聚四氟乙烯介质(介电常数为2. 2) , 设计了适用于X 波段的宽带微带天线。利用了Ans oft HF 2SS10. 0软件进行优化设计, 天线的基本参数为:h =3. 683mm; W x =W y =6. 8mm; W =1. 1mm; L 1=2. 3mm;
L 2=0. 5mm
。
馈线和辐射单元之间的耦合度越高。可以看出, 随着缝隙宽度的减小, 耦合度逐渐增大。但是, 缝隙宽度也不能太小, 因为随着W 的减小, 天线输入阻抗的变化范围会变得比较大, 不利于宽频带内阻抗匹配
。
[9]
图5 天线输入阻抗随L 2的变化关系
图3 天线输入阻抗随W 的变化关系
—78—
天线输入驻波比的仿真结果如图6所示。可以看出, 天线带宽在VSW R
。
30%(VSW R
面的交叉极化分别小于-40dB 和-35d B 。多层聚四氟乙烯介质结构, 增加了机械强度, 降低了外界环境对天线的影响, 提高了工程实用性。
参考文献
[1] Skolnik M I . 雷达手册[M].2版. 王 军, 林 强, 译.
北京:电子工业出版社, 2003.
Skolnik M I . Radar ].2nd ed . W ang Jun, L in Q . House of Electr onics I []ostri p antenna aperture coup led t o a m icr os 2
tri p line[J ].Electr on . Lett . , 1985, 21(2) :49-50. [3] Luk K M , Tong K F, Au K M. Offset dual patch coup led
m icr ostri p antenna [J ].Electr on . Lett . , 1993, 29(18) :1635-1636.
[4] Targonski S D, W aterhouse R B, Pozar D M. Design of
wide 2band aperture 2stacked patch m icr ostri p antennas[J ].I EEE Transacti ons on Antennas and Pr opagati on, 1998, 46(9) :1245-1251.
[5] Pozar D M , Targonski S D. I m p r oved coup ling f or m icr ostri p
aperture coup led m icr ostri p antenna [J ].Electr on . Lett . , 1991, 27(18) :1129-1131.
[6] Hall R C, Sanf ord J R. Perf or mance enhance ment for aper 2
ture coup led m icr ostri p antenna[C ]//I EEE Antennas Pr opa 2gat . Sy mp. [S . l . ]:I EEE Press, 1992:1040-1043. [7] Yang X H, ShafaiL. Characteristics of aperture coup led m i 2
cr ostri p antennas with vari ous radiating patches and coup ling apertures[J ].
I EEE Transati ons on Antennas and Pr opaga 2
ti on, 1995, 43(1) :72-78.
[8] RathiV, Ku mar G, Ray P . I m p r oved coup ling f or m icr ostri p
aperture coup led antenna [J ].
I EEE Transati ons on Anten 2
nas and Pr opagati on, 1996, 44(8) :1196-1198.
[9] Sullivan P L, Schaubert D H. Analysis of an aperture cou 2
p led m icr ostri p antenna[J ].I EEE Transacti ons on Antennas and Pr opagati on, 1986, 34(8) :977-984.
图67所示, 整个频段范围内, E 面和H 面的交叉极化电平分别小于-40d B
和-35d B , 满足设计要求
。
图7 天线方向图
孙 丹 男, 1981年生, 工程师, 硕士。研究方向为共形天线技术、宽带微带天线技术等。
章传芳 女, 1961年生, 研究员。研究方向为机载雷达微波天线及雷达总体技术。
施长海 男, 1977年生, 工程师, 博士。研究方向为机载火控雷达系统设计、天线阵面测量等。
徐 志 男, 1981年生, 博士研究生。研究方向为宽带辐射单元, 宽带相控阵,M I M O 信道分析等。
3 结束语
本文采用了“hour glass ”形状缝隙馈电结构和多
层聚四氟乙烯介质, 设计了一种适用于X 波段的缝隙耦合微带天线, 具有宽带、交叉极化低、易于集成和机械强度高等特点。仿真结果表明, 其相对带宽超过
—79—
第31卷 第4期
2009年4月
现代雷达
Modern Radar
中图分类号:T N822+. 8
文献标识码:A
Vol . 31 No . 4
Ap r . 2009
・天馈伺系统・
文章编号:1004-7859(2009) 04-0077-03
一种宽带缝隙耦合微带天线
孙 丹, 章传芳, 施长海, 徐 志
1
1
1
2
(1. 中航雷达与电子设备研究院, 江苏无锡214063)
(2. 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:采用“hour glass ”形状缝隙设计了一种新型宽带缝隙耦合微带天线, 分析了缝隙参数对天线输入阻抗的影响。该天线使用了多层聚四氟乙烯介质, 不仅对贴片单元进行了保护, , , 因此便于阵列集成。研究结果表明, 该天线相对带宽超过30%(VSW R
M i crostr i p An tenna
S UN Dan , Z HANG Chuan 2fang , SH I Chang 2hai , XU Zhi
1
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(1. Radar and Avi onics I nstitute of AV I C, W uxi 214063, China )
(2. Nati onal Laborat ory of Antennas and M icr owave Technol ogy, Xidian University, Xi ′an 710071, China )
Abstract:A wide 2band sl ot 2coup led m icr ostri p antenna is designed with an “hour glass ”shape sl ot in this paper . The antenna is stacked by a multi 2layer dielectric (PTFE ) which p r otects the antenna patch against envir on ment influences, and increases the configurati on strength . Mean while, the antenna is easy t o configure as an array due t o its si m p le geometry . The study results indi 2cate the band width of the antenna exceeds 30%(VS WR
Key words:sl ot 2coup led antenna; m icr ostri p antenna; br oadband antenna
0 引 言
微带天线具有尺寸小、重量轻、剖面低等优点, 广
[1]
泛应用于雷达和通信等领域。1985年, Pozar 提出了一种采用矩形缝隙进行耦合馈电的微带天线。这种天线通过接地板隔离了辐射层和馈电层, 消除了相互之间的影响, 并克服了传统馈电方式带来的电感效应和馈电网络的寄生辐射等缺点。但是, 它的带宽较窄, 在很多场合限制了它的应用。为了有效地展宽微带天线带宽, 国内外进行了大量的研究, 如采用多层贴片结构、采用介电常数接近1. 0的泡沫或者空气介
[4][5-7]
质作支撑材料、改变馈电结构和缝隙结构等。文献[8]介绍了一种“hour glass ”形状的缝隙结构, 同其他馈电结构相比, 具有耦合强度大和宽带等优点。本文设计了一种适用于X 波段的缝隙耦合微带天线, 具有宽带、易集成和机械强度高等优点。
[2]
结构、接地板和辐射贴片组成, 整体结构如图1所示。
天线整体高h, 辐射贴片大小为W x ×W y 。馈线通过接地板上的耦合缝隙对辐射贴片进行馈电
。
图1 “hour glass ”缝隙耦合微带天线
天线设计过程中, 首先是选择合适的介质, 包括介
质尺寸和材料等。为了降低微带天线的Q 值, 展宽天线的带宽, 可以增加介质层2的高度和减小介质层2的介电常数。但是, 介质层厚度过大会造成表面波的激励。要降低介电常数, 可采用空气介质或介电常数接近空气的泡沫材料等, 但这种方法也有其局限性, 主要原因是空气或者泡沫材料使得天线的机械强度减弱。缝隙的设计也是微带天线设计的关键技术之一, 包括缝隙的形状和大小等。缝隙的大小和形状影响着
—77—
1 天线设计及参数选择
“hour glass ”缝隙耦合微带天线由3层介质、馈电
通信作者:孙丹 E ma il:sun_dan@sina . com 收稿日期:2008212228修订日期:2009202216
馈电层和辐射层之间的耦合强度。而增大耦合强度,
可
[3]
以在一定程度上扩展天线带宽。本文采用了一种
[8]
“hour glass ”形状的缝隙结构, 如图2所示。其中, L 和W 分别是整个缝隙的长和宽, L 1和W 1为中心窄缝的长和宽, L 2为上下两端宽缝的长度, L s 为缝隙中心到馈线开路端的距离。相比同等长宽(L 和W ) 的矩形缝隙, 该缝隙结构在减小天线后向散射的同时, 增加了耦合强度。W f 为馈电微带线的宽度, L p 和W p 分别为接地板的长和宽。
缝隙中心和接地板的中心重合。
图4中的曲线说明了天线输入阻抗与中心窄缝的长度关系, 3条曲线对应的中心窄缝的长度分别为:L 1=0. 5mm , L 1=1. 5mm , L 1=2. 7mm 。可以看出, 中心窄缝长度的改变对天线的输入阻抗影响很小, 但在缝隙长度L 不变的情况下, 中心窄缝长度的增加可以减小缝隙面积
。
图2 馈电结构俯视图
图4 天线输入阻抗随L 1的变化关系
“hour glass ”形状的缝隙虽然增加了结构上的复
杂度, 但也给设计者提供了更多的自由度。该结构对天线性能的影响主要有缝隙宽度W 、中心窄缝的长L 1和上下两端宽缝的长度L 2等参数。减小缝隙宽度, 可以增加耦合强度; 适当增加中心窄缝的长度(缝隙长度L 保持不变) , 可以减小缝隙的面积, 降低后向散射, 且保证一定带宽; 增加上下两端宽边的长度, 可以减小天线输入阻抗的变化范围。
天线的输入阻抗与缝隙宽度的关系如图3所示, 3条阻抗曲线对应的缝隙宽度分别为:W =0. 4mm , W =1. 1mm , W =3. 7mm 。阻抗曲线离开路端越近, 说明
图5中的曲线说明了天线输入阻抗与上下两端宽缝的长度关系, 3条曲线所对应的长度分别为:L 2=0. 2mm , L 2=0. 8mm , L 2=1. 2mm 。可以看出, L 2增加有利于减小天线输入阻抗的变化范围, 实现较宽的阻抗带宽。但是, L 2也不宜太大, 否则会导致缝隙面积变大, 增加后向散射。
2 仿真结果
根据以上设计原则, 本文采用“hour glass ”形状的缝隙结构和聚四氟乙烯介质(介电常数为2. 2) , 设计了适用于X 波段的宽带微带天线。利用了Ans oft HF 2SS10. 0软件进行优化设计, 天线的基本参数为:h =3. 683mm; W x =W y =6. 8mm; W =1. 1mm; L 1=2. 3mm;
L 2=0. 5mm
。
馈线和辐射单元之间的耦合度越高。可以看出, 随着缝隙宽度的减小, 耦合度逐渐增大。但是, 缝隙宽度也不能太小, 因为随着W 的减小, 天线输入阻抗的变化范围会变得比较大, 不利于宽频带内阻抗匹配
。
[9]
图5 天线输入阻抗随L 2的变化关系
图3 天线输入阻抗随W 的变化关系
—78—
天线输入驻波比的仿真结果如图6所示。可以看出, 天线带宽在VSW R
。
30%(VSW R
面的交叉极化分别小于-40dB 和-35d B 。多层聚四氟乙烯介质结构, 增加了机械强度, 降低了外界环境对天线的影响, 提高了工程实用性。
参考文献
[1] Skolnik M I . 雷达手册[M].2版. 王 军, 林 强, 译.
北京:电子工业出版社, 2003.
Skolnik M I . Radar ].2nd ed . W ang Jun, L in Q . House of Electr onics I []ostri p antenna aperture coup led t o a m icr os 2
tri p line[J ].Electr on . Lett . , 1985, 21(2) :49-50. [3] Luk K M , Tong K F, Au K M. Offset dual patch coup led
m icr ostri p antenna [J ].Electr on . Lett . , 1993, 29(18) :1635-1636.
[4] Targonski S D, W aterhouse R B, Pozar D M. Design of
wide 2band aperture 2stacked patch m icr ostri p antennas[J ].I EEE Transacti ons on Antennas and Pr opagati on, 1998, 46(9) :1245-1251.
[5] Pozar D M , Targonski S D. I m p r oved coup ling f or m icr ostri p
aperture coup led m icr ostri p antenna [J ].Electr on . Lett . , 1991, 27(18) :1129-1131.
[6] Hall R C, Sanf ord J R. Perf or mance enhance ment for aper 2
ture coup led m icr ostri p antenna[C ]//I EEE Antennas Pr opa 2gat . Sy mp. [S . l . ]:I EEE Press, 1992:1040-1043. [7] Yang X H, ShafaiL. Characteristics of aperture coup led m i 2
cr ostri p antennas with vari ous radiating patches and coup ling apertures[J ].
I EEE Transati ons on Antennas and Pr opaga 2
ti on, 1995, 43(1) :72-78.
[8] RathiV, Ku mar G, Ray P . I m p r oved coup ling f or m icr ostri p
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I EEE Transati ons on Anten 2
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[9] Sullivan P L, Schaubert D H. Analysis of an aperture cou 2
p led m icr ostri p antenna[J ].I EEE Transacti ons on Antennas and Pr opagati on, 1986, 34(8) :977-984.
图67所示, 整个频段范围内, E 面和H 面的交叉极化电平分别小于-40d B
和-35d B , 满足设计要求
。
图7 天线方向图
孙 丹 男, 1981年生, 工程师, 硕士。研究方向为共形天线技术、宽带微带天线技术等。
章传芳 女, 1961年生, 研究员。研究方向为机载雷达微波天线及雷达总体技术。
施长海 男, 1977年生, 工程师, 博士。研究方向为机载火控雷达系统设计、天线阵面测量等。
徐 志 男, 1981年生, 博士研究生。研究方向为宽带辐射单元, 宽带相控阵,M I M O 信道分析等。
3 结束语
本文采用了“hour glass ”形状缝隙馈电结构和多
层聚四氟乙烯介质, 设计了一种适用于X 波段的缝隙耦合微带天线, 具有宽带、交叉极化低、易于集成和机械强度高等特点。仿真结果表明, 其相对带宽超过
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