新型超宽带天线设计

新型超宽带天线设计（精选7篇）

新型超宽带天线设计 篇1

锥削缝隙 (槽) 天线基于沿着天线锥削槽传播的表面波工作, 是一种表面波型行波天线[1]。与传统的对数周期天线、螺旋天线等超宽带定向天线相比, 具有E面和H面定向方向图对称, 工作频带宽、交叉极化低等电性能优点, 同时, 其重量轻, 具有平面结构, 易于与微波电路集成, 是超宽带定向天线的首选形式, 被广泛应用于超宽带无线通信、宽带相控阵雷达等领域[2]。

在超宽带锥削缝隙天线的设计中, 所期望的波束宽度和方向性系数, 可通过控制锥削槽中表面波的传播情况来实现, 即控制锥削槽天线的口径大小、长度、锥削槽形状、介质基片的介电常数和厚度等参数, 进而影响天线的阻抗和辐射特性[3]。一般主要涉及两个方面:一是确定天线尺寸, 锥削槽辐射臂形状, 用来满足方向图, 增益和交叉极化等指标;二是馈电结构的设计, 主要有馈线至天线槽线的平衡馈电结构, 要求宽频带、低损耗。

1 天线结构设计

通常锥削缝隙天线长度约为λ0 (λ0为最低工作频率在自由空间中的波长) , 宽度约为0.5λ0。天线结构如图1所示。渐变的辐射曲线为指数曲线, 可给出曲线方程为

单位:mm

为减小金属贴片对微带-槽线巴伦的影响, 贴片下边缘与天线下边缘的距离选为16 mm。

介质基板的介电常数εr选为2.65, 根据优化式 (1) , 厚度h选为0.6 mm得

馈电巴伦设计为微带线-槽线转换器结构, 在给定工作频率后, 巴伦的阻抗匹配可由下式计算

其中, Zm和Zs分别为微带线和槽线的特征阻抗;n为转换比率;t为介质基板的物理厚度;εr是介质基板的相对介电常数。

文中设计的一种微带线-槽线转换器结构如图2所示, 巴伦制作在介电常数εr=2.65, 厚度t=0.6 mm的介质基板上, 在中心频率为7.5 GHz处, 槽口宽度G为0.3 mm的槽线的特性阻抗Z0s为109.4Ω。用一个5节阻抗变换器实现槽线与50Ω的阻抗匹配, 各界传输线特性阻抗依次为82Ω、68Ω、61Ω、55Ω和53Ω, 由Lincal计算的线宽依次对应为0.7 mm、1 mm、1.2 mm、1.4 mm和1.5 mm。微带扇形枝节的半径Rm=λgm/4=6 mm, 槽线扇形枝节的半径是Rs=λgs/4=8 mm, 其中λgs和λgm分别为中心频率处槽线和微带线的波导波长。

2 结果分析

依据计算所得初值, 在HFSS12中建模仿真, 图3为天线的实物照片, 其输入端与50Ω的SMA型同轴连接器相连。采用矢量网络分析仪对天线的阻抗性能进行测试。如图4所示, 实测与仿真结果基本吻合, 天线具有较宽的阻抗带宽, 在2~13 GHz的频带内, 实测天线驻波比均<2, 低频处的实测结果与仿真结果吻合较好, 高频段稍差, 其原因是切削椭圆形缝隙或焊接SMA接头时引入的误差所造成的。

图5给出了天线在5 GHz、7.5 GHz、11 GHz频点的远场方向图, 可见超宽带指数锥削缝隙天线具有较好的定向辐射特性。随着频率升高, 介质基片的等效厚度随之增加, E面方向图也出现了不同程度的裂瓣。而当等效厚度逐渐增加到某个临界值时, 天线表面会出现不参与辐射的表面波, 导致在个别的频点上天线的交叉极化较高。

如图5所示, 天线H面增益方向图半功率波瓣宽度为60°~140°, 方向图对称性良好, 有利于实现宽角扫描。E面增益方向图半功率波瓣宽度为30°~66°。还可看出天线增益方向图在高频段出现副瓣, 但其电平值较低且在主瓣范围内波形保持较好, 未产生畸变。因此, 不影响工程使用。

加载缝隙前后的电流分布对比情况如图6所示, 对比A, B两处, 半椭圆缝隙改变了辐射臂的电流分布, 进而对天线低频段的定向性产生了影响。馈电部分的电流分布在一定程度上变大, 使得天线在高频段的增益出现波动。

如图7所示, 在2~3 GHz的低频段, 天线增益逐渐降低。由图可见, 在3~10 GHz频段, 随着频率升高, 天线增益逐渐增大, 但高于10 GHz后, 增益会有所下降。这是因为在高频段, 天线能量的辐射区域靠近馈电部分, 辐射的物理导行区变得过长, 使部分能量损耗在了介质中。另外, 在高频段由于出现爬行在金属表面且不辐射的表面波, 也影响了天线增益。

3 结束语

文中通过计算分析和实物测试, 设计了一种新型的超宽带锥削缝隙天线, 仿真与实测结果均表明天线具有良好的全向辐射特性和6.5∶1的工作带宽。该天线整体尺寸较小, 剖面尺寸较低, 有利于实现与其他射频电路的集成化设计, 且增益较高, 易于组成阵列天线, 在无线通信系统中具有较好的应用价值。

摘要：提出了一种微带线-槽线馈电形式的指数锥削缝隙天线, 在辐射臂的外边缘引入半椭圆形缝隙来进一步提高天线低频段的定向性, 获得了高增益和超宽带性能。利用HFSS12软件进行仿真, 天线的极化方式为垂直极化, 在213 GHz的工作频段内电压驻波比<2, 增益最高达11 dB, 具备良好的定向性, 仿真与实测结果基本吻合, 表明该设计是有效、可行的。

关键词：超宽带,高增益,垂直极化,锥削缝隙天线

参考文献

[1]林昌禄, 聂在平.天线工程手册[M].北京:电子工业出版社, 2002.

[2]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 1991.

[3]宋跃, 焦永昌, 王乃彪, 等.一种新型超宽带渐变槽线天线设计[J].西安电子科技大学学报:自然科学版, 2009, 36 (6) :1034-1037.

[4]刘远玄, 张辉, 邵丽.新型高增益反射阵列天线的设计[J].电子科技, 2012, 25 (2) :33-34.

[5]张长慧, 董胜, 赵宪臣.一种高增益缝隙定向天线设计[J].电子设计工程, 2012 (13) :158-160.

一种新型的超宽带树形天线 篇2

超宽带(UWB)技术作为一种无线通信技术,除在高分辨率超宽带雷达、精确定位系统等方面已经有了广泛的应用外,在短距离室内高速无线通信方面也受到人们越来越多的关注。根据FCC规定,将3.1～10.6 GHz之间7.5 GHz的频段分配给超宽带通信业务使用。基于通信协议IEEE802.15.3a的解决方案之一是多波段正交频分多路技术(Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing,MB-OFDM),该方案低频段为3.1～4.8 GHz,该文提出的一种超宽带天线正是覆盖该频段,且可用于便携式系统中,该系统要求超宽带天线具有全向辐射方向图、超宽带、尺寸小、增益平坦、线性相位和低成本。

手持设备对天线有严格的空间尺寸限制,而分形天线的优点如尺寸小、重量轻及低剖面正好满足手持设备的要求,因此近年来很多研究集中在该领域。采用分形概念是天线原理与设计很有前景的研究方向之一,许多研究者对分形天线做出了积极的研究,如带有分形分枝树的双波段陷波共面波导馈电天线[1],采用分形概念的树形超宽带天线[2]及带有倒T形槽的UWB天线[3],Ding et al提出采用分形概念共面波导馈电的圆环形UWB天线[4]。

基于分形概念提出一种双分枝树形天线,为获得超宽带全向辐射方向图,天线采用部分地面技术[5]和分形概念。

1 天线设计和仿真

矩形树状宽带天线辐射单元宽度为W,高度为L,馈线宽度Wf,辐射单元蚀刻在FR4基板上(厚度h=1.5 mm,εr=4.4),基板尺寸为Lsub×Wsub,天线背面有部分接地面,尺寸为Lg×Wsub,部分接地面与辐射单元底端距离为G。具有分形概念的矩形树状超宽带天线结构如图2所示,天线是在图1矩形树基础上蚀刻出台阶形缺口,从而形成2个分枝,对应缺口的尺寸为W1,W2,…W7和L1,L2,…L7,除此之外,基板材料和尺寸与图1完全一致。天线辐射单元位于y-z平面,辐射单元厚度方向对应x-z平面。矩形树状超宽带天线结构如图1所示,具有分形概念的树形超宽带天线如图2所示。

天线尺寸如下:对于图1,W=16 mm,L=21.5 mm,Wf=2.5 mm,Lsub=34 mm,Wsub=20 mm,Lg=7 mm,G=4.5 mm。对于图2,W1=13 mm,W2=11 mm,W3=9 mm,…W7=1 mm;L1=14 mm,L2=12 mm,L3=10 mm,…L7=2 mm,均按2 mm尺寸递减,其他尺寸与图1相同。

对应图1中辐射单元面积为L×W=344 mm2,对应图2中辐射单元面积为246 mm2,与图1相比,图2中辐射单元面积减少了28.5%。

按照图1和图2尺寸采用HFSS10.0进行了仿真,回波损耗仿真结果如图3所示。图中仿真结果与图1和图2结构相对应,对于图1结构,回波损耗小于-10 dB带宽69.7%(2.73～5.65 GHz);按照图尺寸加工出了具有双分枝树形超宽带天线,馈电采用50Ψ同轴侧馈,回波损耗实测结果如图3所示,图中小于-10 dB带宽达71.4%(2.7～5.7 GHz)。

图4、图5、图6、图7、图8和图9分别为3 GHz、4 GHz和5GHz时对应图1和图2的2种天线结构在x-z平面方向图和y-z平面方向图,可以看出2种结构的天线Eθ基本重合,而EΥ的大小在-20～-15 dB以下,说明2种结构天线方向图基本一致。

同时从图4～图9方向图可以看出,方向图与偶极子天线类似,天线在x-y平面为全向辐射;在频率为3 GHz和4 GHz时,在z轴(θ=0°)和-z轴(θ=180°)近似为零点,而最大辐射方向在θ=90°,对于频率为5 GHz,最大辐射方向偏离了90°方向,这主要是因为天线采用了部分地面。

2 结束语

对提出的一种具有分形概念的树形超宽带天线进行了研究,其回波损耗小于-10 dB带宽达71.4%(2.7～5.7 GHz),天线增益为2.16～4.49 dB(3～5 GHz),其方向图与偶极子天线相类似,同时提出的天线回波损耗带宽及方向图与矩形树形超宽带天线基本一致,但前者辐射单元面积比后者减少了28.5%。

参考文献

[1]FALAHATI A,NAGHSHVARIAN M,JAHROMI R,et al.Dual Band-Notch CPW-Ground-Fed UWB Antenna ByFractal Binary Tree Slot[C]//2009 Fifth internationalConference on Wireless and Mobile Communication:385-390.

[2]SONG Hyo-Won,AN Hee-Soon,LEEJung-Nam,et al.Designof the Tree-shaped UWB Antenna Using Fractal Concept.Mirowave conference[C]//2007,KJMW,Korea-Japan:73-76.

[3]OFAROUDI M,GHOBADI C,NOURINIA J.Small SquareMonopole Antenna With Inverted T-Shaped Notch in theGround Plane for UWB Application[J].IEEE AntennasWireless Propag.Lett.,2009,8:728-731.

[4]DING M,JINR,GENGJ,et al.,Design of a CPW-fed ultra-wideband fractal antenna[J].Microwave and OpticalTechnology Letters,2007,49:173-176.

新型超宽带天线设计 篇3

1脉冲信号模型

在超宽带系统中, 对脉冲形成器的滤波器单位冲激响应的选择至关重要, 它直接影响到传输信号的功率谱密度。为了有效辐射, 超宽带脉冲需要满足的基本条件是没有直流分量, 理想的超宽带信号的频谱应接近白噪声谱, 从而降低其对现有窄带用户的干扰, 高斯脉冲信号是相对较好的选择。

高斯脉冲波形可用以下表达式描述:

实际中脉冲生成器最易产生的脉冲波形就是一个类高斯脉冲波形。同时, 高斯脉冲信号非常适合理论分析, 可以直接通过调整脉冲成形因子来改变波形和对原始脉冲的微分获得更多的波形。

2天线布阵优化设计

天线阵面布阵见图1、图2。图1为本文提出的交叉螺旋布阵, 图2为以色列Xaver雷达方圆布阵。图中蓝色标记为接收天线安装位置, 红色为发射天线安装位置。两种天线布阵均有4个发射阵元和20个接收阵元。

图3为两种天线布阵的峰值幅度方向图, 峰值幅度方图可以分析波束形成输出的最大旁瓣水平以及最大主瓣宽度, 图3显示了当信号源距离为1m, 方位为0度时, 两种天线布阵下的近场峰值幅度方向图。脉冲持续时间为150ps, 从图3中可以看出, 近场时域波束形成的方向图中没有栅瓣及其它的旁瓣, 仅有一个水平固定的余瓣, 这是因为超宽带信号的宽带平均作用抑制了窄带波束形成中的旁瓣及栅瓣。因此在超宽带天线阵的设计中, 阵元间距不再有类似于窄带的限制, 可以方便的利用稀疏阵列提高系统的性能。同时, 也不需要对阵元接收信号进行幅度加权处理来抑制旁瓣, 就可以抗多径、共信道干扰和主动人为干扰, 这是超宽带天线阵的一个优势。从图3中可以看出提出的交叉螺旋布阵相比于方圆阵列方向图中旁瓣低很多, 原因是交叉螺旋布阵不是轴对称布阵, 而对称结构由于存在对目标位置的冗余信息, 没能更好的降低旁瓣。

3结论

综上所述, 提出的交叉螺旋布阵和以色列Xaver雷达方圆布阵相比, 有相同的阵元数目, 相同的主瓣宽度, 然而旁瓣低很多。成像结果中虚假像的一个主要来源是天线阵近场时域波束的旁瓣。降低旁瓣可以抑制成像结果中的虚假像, 因此本文提出的交叉螺旋布阵为雷达成像提供了有利条件。

参考文献

一种超宽带贴片天线的设计与研究 篇4

关键词：超宽带,贴片天线,回波损耗,仿真,频带

引言

随着当前通信技术的不断演进, 频谱效率、速率越来越高, 带宽也不断增宽。无线通信网络综合一体化是一个趋势, 各种无线技术都将在这一体化的网络中发挥自己的作用。从移动通信来看, 3G乃至4G技术将成为主导, 从而形成对全球的广泛无缝覆盖;而WLAN、Wi MAX、UWB等宽带接入技术, 将因其各自不同的技术特点, 在不同覆盖范围或应用区域内, 移动通信网络形成有效互补。本文对超带宽 (U V B) 贴片天线技术做了一个系统的阐述, 并对贴片天线做了新的设计方案, 通过HFSS 12.0进行了系统仿真的优化, 并最终达到设计要求。

超宽带天线技术简介

超宽带天线 (UWB) 技术是一种新型无线通信技术。它有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低等优点。重量轻, 体积小, 制作简单且宽频带。从2002年美国FCC允许将超宽带技术应用于民用通信领域以来[1], 迅速发展为未来短距高速商用无线通信系统实现的有力竞争方案。

U W B天线覆盖非常宽的频率范围, 多用于移动设备, 所处位置不固定, 摆放角度随机, 因此一般要求其在某一平面有全向性。它采用脉冲编码, 需要有较好的时域特性, 也要求其具有非色散特性, 即平坦的幅频响应和在带宽内的线性相位。因FCC建议的3.1~10.6GHz频段与WLAN有冲突, 研究热点集中在具有带阻功能的UWB天线, 很多人提出了采用了寄生耦合, 对接地面处理、分形等技术的具有滤波器功能的新型设计。

HFSS简介和设计流程[2]

HFSS简介

HFSS是美国Ansoft公司开发的基于电磁场有限元法分析微波工程问题的全波三维电磁仿真软件。广泛应用于航空、电子、通信等多个领域, 有精确的场仿真器, 强大的电性能分析能力和后处理功能, 可用于分析、计算并显示S、Y、Z等参数矩阵, 电压驻波比 (VSWR) , 端口阻抗和电流分布, 天线辐射方向图和各种天线参数如增益、方向性、波数宽度等。借助HFSS, 能有效降低设计成本, 缩短设计周期, 为设计实物天线做出理论和现实保障。

HFSS设计流程

HFSS进行电磁分析和高频器件设计的简要流程如图1所示, 设计时选择模式驱动求解。根据天线初始尺寸和结构, 在HFSS模型窗口中创建天线的HFSS参数化设计模型。设计中, 与背景相接触的表面默认设置为理想边界, 为模拟无限大的自由空间, 该表面也设置为辐射边界条件或理想匹配层边界条件, 这样HFSS才会计算天线的远区域辐射场。由于天线必须通过传输线或者波导传输信号, 其与传输线或者波导的连接处即为馈电面。天线设计中馈电面的激励方式主要有两种, 分别是波端口激励和集总端口激励, 与背景相接触馈电面的激励方式使用波端口激励。设置求解参数时要设定求解频率和扫频参数, 而求解频率通常设定为天线的中心工作频率。

上述操作完成, 即可执行求解分析操作命令来仿真计算。经分析结果收敛, 说明设置的参数达到精度要求。求解分析完成后, 在数据后处理部分可查看HFSS分析出的天线的各项性能参数, 如回波损耗 (S11) , 电压驻波比 (VSWR) 、输入阻抗、天线远场辐射图、轴比和电流分布等。此时仿真计算的

天线性能满足设计要求, 接着着手天线的制作和调试工作。

超宽带贴片天线的设计与优化

超宽带贴片天线

U W B通信系统采用FCC开放的3.1~10.6GHz频段, 有目前商业通信系统中最大的7.5GHz的带宽分配, 也就决定了UWB信号的宽带特殊性。贴片天线因为满足了重量轻、体积小、制作简单、易共形和宽频带等特性要求而深受关注, 近年来的应用也越来越广泛。本文致力于研究超宽带贴片天线的设计工作。贴片天线常用在高频的工作状态, 有全方向辐射的优点, 它的类型有多种多样, 由圆形、椭圆、方形演化的居多, 本文综合以往成果, 结合学习经验设计了一种别样的贴片模型。

贴片天线设计方案

设计超宽带贴片天线在一个材质是FR4尺寸为35mm×35mm, 厚度h为0.45mm, 介电常数εr为4.4的介质基板上。且由一个贴片和一个作为馈线的小贴片和接地板组成。贴片天线的结构印制在RF4基板的一面, 另一面是接地板, 对接地面做了半圆形缝隙处理, 改善了天线的辐射方向特性[3]。又经过对文献[4-7]的设计方法进行总结和扩展, 做了以下的设计, 具体是在接地面开一个半径R=12mm的小半圆缝隙。设计的贴片开槽结构形似一个旧式飞机模型样式, 首先估计尺寸再经过仿真优化, 如图2 (a) 所示为仿真器绘制的贴片天线三维立体模型图;天线模型尺寸结构和物理量参数的描绘如图2 (b) (虚线部分为反向的接地板面) ;表1为设计之初贴片天线的各个物理量参数尺寸。

该设计的目标旨在低于-10d B的回波损耗 (S11) 的情况下, 天线能达到良好性能和较好带宽。为实现这一目标, 恰当的天线几何尺寸是必需的。因此, 为了获得最佳的回波损耗和阻抗带宽, 将对该天线的设计参数, 如缝隙, 贴片形状和馈电宽度进行研究和比较, 使用Ansoft HFSS 12.0仿真软件仿真, 以使天线做到最佳的尺寸。

设计方案优化前的回波损耗和远场辐射图如图3所示。

由上图可以看出, 该天线的阻抗带宽大致范围为1.65~5.00GHz, 并没有达到超宽带的要求, 属于窄带天线。且由远场辐射方向图看出天线所表现的全向性并不好, 因此, 下面将通过Anso HFSS仿真软件对贴片天线的一些尺寸参数进行优化, 力求达到超宽带天线的要求。

(b) F=2.5G远场辐射图 (c) F=7.5G远场辐射图

优化方案

对各个物理参数进行优化改进设置。经过仿真分析, 接地板宽度L4从10mm开始, 随着宽度的增加, 带宽越来越宽, 当L4达到13mm时, 则它不再满足超宽带的特性, 因而我们认定当L4=12mm时能够获得最佳的阻抗带宽。改变横缝隙的位置, 让它向着y轴正向移动, 距x轴的距离设为H, 在L1变动时, 此时我们发现, 当H=23mm时, 阻抗带宽范围为2.25~11.5GHz, 也由此得出H为23mm时是最适合的位置。研究表明竖条缝隙的位置对天线的回波阻抗的影响并不是很大, 随着其长度的增大, 阻抗带宽也会有相应的增加, 所以选择其长度L9=15mm能够满足最佳的天线大小, 观察总结出当W=1mm时, 天线能够表现出最佳的回波损耗性能。且随着W的增加, 天线的回波损耗越来越差, 阻抗带宽也越来越小。最后讨论小半圆半径R对天线回波损耗的影响, 得出当R=11mm时, 天线能够表现出最佳的性能。且随着R的增加, 天线的回波损耗变得越来越差。经过对天线设计参数的仿真与细致研究, 我们得出最终的优化的结果, 各项物理参数如表2所示。

依照上表中天线的尺寸, 对最后设计的天线进行仿真, 得到理想的天线的回波损耗图和在频率点分别为2.5GHz和7.5GHz的远场辐射图如图4。可以看出, 通过Ansoft HFSS 12.0仿真软件的优化, 我们得到了性能比较优越的天线回波损耗S11值和远场辐射图。得出设计的天线带宽范围大致在1.50~11.50GHz范围内, 而且远场辐射图表现出的辐射范围也比较大, 给出的匹配较好的频率点f=2.5GHz, f=7.5GHz的远场辐射图, 可以清楚地看出超宽带贴片天线所表现出的辐射性能。所以, 经过对设计天线一系列参数的仿真优化得到了符合要求的设计。

结束语

本设计中阻抗带宽大致在1.5 0~1 1.5 0 G H z范围, 对于稍低的频段, 如2.5GHz或5.8GHz频段, 可用于无线局域网 (WLAN) 通信。而2.4GHz, 5GHz (5.15~5.25GHz, 5.250~5.350GHz和5.470~5.725GHz) 则可允许W i F i通信;2.3 G H z, 2.5~2.7GHz, 3.5GHz (3.3~3.8GHz) 可以进行W i m a x (全球微波互联接入) 通信。1 7 1 0~1 8 8 5 M H z, 2500~2690MHz, 则可用于3G通信。设计的超宽带贴片天线很好的解决了FCC与WLAN频段的重叠问题, 也使天线在WLAN频段达到了良好的陷波特性。因受实验条件等因素制约, 没能够做到实物产品和实际测量, 只是经过了计算机仿真实验并得出了较好的结果, 接下来就是要落实到硬件实现, 真正做到设计的超宽带贴片天线具有较高性能和实用价值。

参考文献

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[2]李明洋, 刘敏, 杨放.HFSS天线设计[M].北京:电子工业出版社, 2011

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新型超宽带天线设计 篇5

给出了一种超宽带电磁偶极子微带天线结构, 阐述了电磁偶极子天线的工作原理, 组成电偶极子和磁偶极子的相关结构, 最后给出仿真结果和分析。

1 电磁偶极子天线的工作原理

电磁偶极子天线工作原理最初由Clavin提出, 由于电偶极子在E面的方向图呈现8字形状, 在H面呈现O字形状;而磁偶极子在E面呈现O字形状, 在H面呈现8字形状。如果采用适当幅度和相位的信号同时激励电偶极子和磁偶极子, 那么就可以实现在E面和H面近乎相等的方向图, 较小的交叉极化以及整个工作频段内稳定的性能。电偶极子和磁偶极子相隔一定距离, 通过调节电偶极子和磁偶极子之间的距离, 可以实现对激励信号幅度和相位的调节。

Luk和Wong提出的电磁偶极子天线由高度为中心频率波长四分之一的水平矩形贴片和垂直短路片组成, 垂直短路贴片之间底板和两个短路贴片构成磁偶极子, 两个水平矩形贴片构成电偶极子, 采用Γ型馈线用来激励。该天线具有良好的交叉极化和前后比指标, E面和H面方向图近乎重合。许多学者在此基础上继续研究, 进一步扩展天线带宽[6,7,8]。

2 天线结构

提出的超宽带偶极子微带天线结构如图1所示, 天线的水平部分是电偶极子单元, 由等腰直角三角形贴片, 等腰梯形贴片和矩形贴片组成, 其中矩形贴片与等腰梯形的下底相连, 高度33毫米。等腰直角三角形与等腰梯形通过2.5毫米宽的水平缝隙隔开。与三角形贴片直角边和梯形两腰相连的短路贴片构成了垂直方向上的短路贴片天线, 相当于一个磁偶极子, 采用Γ型馈线同时激励电偶极子和磁偶极子, 就可以实现E面和H面近乎相等的方向图。

为了调节阻抗匹配, 馈线高度略低于平面贴片高度, Γ型馈线高21毫米。Γ型馈线包括两个部分:传输部分和耦合部分。传输部分是一段宽度由下向上逐渐变细的微带线, 宽度渐变的微带线比常规的矩形微带线可以实现更好的阻抗匹配, 传输部分底部宽3.2毫米, 与地板下面的同轴线接头相连接, 顶部宽1.5毫米, 与耦合部分相连, 传输部分与邻近的垂直短路贴片共同构成传输线模式, 将同轴线信号传输至Γ型馈线的耦合部分;Γ型馈线其余部分即为Γ型馈线的耦合部分, 耦合部分的水平部分呈感性, 竖直部分靠近短路贴片, 主要呈容性。通过调节L馈线水平和垂直部分的尺寸, 可以实现良好的阻抗匹配。Γ型馈线的水平部分较宽, 为2.5毫米, 并不与附近短路贴片相连, 而是穿过在垂直短路贴片上的打孔向下弯折。

由于天线工作频带很宽, 为了防止高次模的出现导致天线增益和方向图变差, 在反射板边沿添加了金属围栏改善增益和方向图指标, 包括倾斜部分和垂直部分。倾斜部分底部与反射板相连, 顶部与垂直金属围栏部分相连。倾斜部分斜面长56.9毫米, 高33.5毫米, 垂直部分长5.5毫米。

3 仿真结果及分析

图2描述了天线驻波比和增益随频率的变化, 可以看出, 阻抗匹配带宽从2.3GHz至7.56GHz, 相对带宽为107%。若增大水平贴片的长度和高度, 则天线的整个工作频段向低频移动, 反之则向高频移动。如果矩形贴片尺寸和高度变化过大, 则会影响整个频段的增益指标和阻抗匹配, 导致增益波动幅度变大和阻抗失配。

图2中天线增益指标最大为10.2dBi。天线的3dB增益带宽覆盖2.3GHz~7GHz工作频段, 频带内绝大部分频带的增益指标在8dBi~10dBi之间。金属围栏对保持天线增益稳定有着重要作用。如果不使用金属围栏, 仿真结果显示电磁偶极子天线增益指标在低频处维持在7dBi附近, 但是在高频其增益波动强烈, 最高达到11dBi, 最低4dBi。通过对底板添加围栏优化处理, 天线在高频段的增益得到较大改善, 波动幅度大大减小, 在2dB以内。

图3截取了天线工作在2.5GHz, 4.5GHz, 6.5GHz的方向图。从仿真结果中可以看出, 由于天线设计采用了电偶极子和磁偶极子相结合的设计思路, E面和H面天线方向图在各个频点近乎重合, 采用添加金属围栏的优化反射板, 方向图保持了较好的一致性和稳定性, 天线的前后比指标也较为满意, 达到-16dB。天线呈对称结构, 整个工作频带上交叉极化很小。

4 结束语

无线通信系统的迅速发展对宽频带天线产生大量需求, 不仅要求频带宽, 还要具有稳定的增益和方向图。本文提出的超宽带微带天线由电偶极子和磁偶极子单元组成, 通过优化金属围栏, 实现了超宽性能。仿真表明, 天线实现了107%的相对工作带宽, 具有稳定的增益, 方向图和良好交叉极化指标。

参考文献

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新型超宽带天线设计 篇6

超宽带 (Ultrawide-band) 信号是指-10 dB相对带宽大于20%或者绝对带宽大于500 MHz的无线电信号[1]。基于该类信号的超宽带技术, 目前已应用于短距离高速无线通信、穿障探测、探地雷达、灾难搜救、非接触医疗检测、汽车防撞等领域[2]。

超宽带天线作为信号的收发装置, 直接影响系统的性能。目前常用的超宽带天线形式主要包括TEM喇叭天线、双锥天线、对数周期天线、螺旋天线、Vivaldi天线和蝶形天线等[3,4,5]。其中平面结构的蝶形天线 (也称领结形天线) , 由立体的双锥形天线演化而来, 具有结构简单、便于设计安装、利于低频辐射等优点, 已应用在超宽带通信与探测领域[6,7]。

为改善天线宽带性能, 目前基于基本蝶形发展出了多种衍生结构。如双蝶形结构[6]、电容加载的条带状结构[7]等。其中荷兰Delft大学的A.A. Lestari与莫斯科航空学院Immoreev, I.Ya均提到了不同形式的分齿蝶形天线结构[8,9], 但对于分齿带来的性能影响, 未查阅到具体研究报道。本文以9齿蝶形为例, 通过建模仿真, 分析了辐射状分齿的蝶形天线, 并研究了不同分齿位置下天线驻波比的变化。研究发现该种结构可以在保证一定频段内天线性能的同时, 减轻天线重量。相对于基本蝶形天线, 分齿结构会使天线输入VSWR在中间频段产生抖动, 且抖动频段直接与分齿位置相关。针对300～480 MHz的频率范围, 进一步优化设计并制作了一款分齿蝶形天线, 实测显示该天线在294～488 MHz驻波比小于2, 其-10 dB带宽194 MHz, 相对带宽达49.6%。

1 天线结构

图1为分齿蝶形天线的实验原型结构图。结构参数中A, B为蝶形天线的宽与长;C为两页分齿位置间的距离;D为馈电端的宽度;分齿槽设计为从馈电端至末端的辐射形状, 各分齿等宽等距分布, 齿宽齿距均为E, 有E=A/ (2n-1) , 分齿数目n=9。定义分齿比例参数为p, 有p=B/C, 即天线长与分齿位置间的距离的比。

2 参数对天线性能的影响

对于本天线, 影响其性能的参数主要包括蝶形张角大小、长宽大小、分齿位置等。可由文献[10]知, 蝶形天线张角为90°时相对其他角度, 输入阻抗随频率变化更为平坦, 具有更好的宽带特性, 因此设计天线长宽尺寸相等 (A=B) , 张角为直角。通过仿真发现, 天线在尺寸的等比例放大的情况下, 输入端驻波比波形基本保持不变, 曲线整体向低频段移动。因此可以在确定天线结构后针对所需频段进行尺寸的等比例调整。同时, 针对1 GHz以下的频段范围, 分齿位置的变化时, 天线输入端驻波比波形变化明显, 而其他参数变化的影响有限。据此, 确定分齿比例p为关键仿真参数。以下通过分齿天线与普通蝶形天线的对比, 及不同分齿比例下天线性能的变化进行分析。

2.1 分齿蝶形天线与普通蝶形天线的性能对比

对两类天线进行建模仿真, 其尺寸数据如下:普通蝶形天线A=B=200 mm, D=10 mm;分齿蝶形天线p=2, 其他参数与普通蝶形天线相同。仿真得到两者的输入驻波比曲线 (VSWR) 如图2所示。

通过对比可以发现, 在相同尺寸下, 分齿天线重量相对普通天线减少35.2%。同时, 两者的驻波比随频率变化趋势相同, 在600 MHz以下, 两者性能基本一致。而在670～770 MHz部分, 分齿天线相对于普通天线驻波比产生抖动。因此, 当针对低频频段需求时, 完全可以使用分齿结构代替普通结构、降低天线重量。

2.2 不同分齿位置对天线性能的影响

针对分齿蝶形天线, 在上述基本参数的基础上 (即A=B=200 mm, D=10 mm, n=9, E=A/17) , 改变分齿比例, 研究分齿位置对天线性能的影响。经过多组仿真, 选取具有代表性的三条曲线 (p=2, 3, 8) , 如图3所示。对比不同分齿比例的驻波比曲线, 可以发现抖动出现的波段与分齿比例p直接相关。当p增大时 (即分齿位置向馈电端靠近时) , 抖动部分向低频段移动, 并且抖动幅度逐渐变小。其相对原普通蝶形天线重量分别减少35.3%, 41.8%和46.3%, 重量减轻比率逐渐增加。

3 实物设计与验证

为验证分齿结构天线的超宽带性能, 下文针对特定频段, 进行了设计优化与实物测试。

3.1 设计目标与仿真优化

设计目标为在300～480 MHz频段范围内, 设计一款分齿蝶形超宽带天线, 要求频段内其驻波比VSWR<2, 曲线平坦, 相对原天线重量减轻率大于40%。

针对上述设计要求, 依据关于分齿位置的仿真分析, 对分尺蝶形天线进行了进一步结构改进、参数优化, 得到如图4所示的天线驻波比曲线。其基本设计参数为A=B=172 mm, D=10 mm, n=9, p=3, E=10.12 mm。如图4所示, 仿真得到参数优化后的天线在300～496 MHz频段内, VSWR<2, 且波形平坦。

3.2 实物天线测试

对上述设计方案的天线进行了加工, 并使用安捷伦8363B型网络分析仪对天线实物进行测量, 得到其VSWR曲线如图5所示。

结果表明, 该天线在294.0～488.6 MHz的频率范围内, 天线馈电端VSWR<2, 波形平坦。其带宽范围与原仿真曲线相比 (300～496 MHz) , 频段基本一致。实际波形抖动出现在525～705 MHz波段, 低于仿真曲线 (577～754 MHz) , 但因处于工作频段外, 对天线性能无实质影响。分析实测频段结果与理论值间的差异, 认为主要来自于实际加工误差。

综上所述, 试制的分尺蝶形天线的-10 dB (VSWR<2) 频率范围为294.0～488.6 MHz, 带宽为194 MHz, 中心频率为391 MHz, 相对带宽达49.6%, 大于超宽带天线相对带宽25%的下限, 重量减轻比率达41.8%, 符合设计需求。

4 结 语

研究了一种辐射状分齿蝶形天线。通过仿真发现, 在相同尺寸下, 分齿蝶形天线与普通蝶形天线的驻波比随频率变化趋势相同。在一定频段, 分齿结构会使天线VSWR曲线产生部分频段的抖动。其次, 仿真得出分齿比例p是影响天线性能的关键参数。随着分齿比例变小 (分齿位置靠近馈电端) , 分齿天线VSWR抖动幅度变小、抖动频段向低频范围移动, 而在其他频段, 分齿蝶形天线与普通碟型天线性能基本一致。因而该类分齿蝶形天线与普通蝶形天线相比, 可在保证一定频段驻波比性能指标的同时, 减轻天线重量。针对300～480 MHz的频段要求, 设计试制了一款分齿蝶形天线。实测显示, 天线在294.0～488.6 MHz的频率范围内, 天线馈电端VSWR<2, 波形平坦。其-10 dB带宽达194 MHz, 相对带宽49.6%, 带内VSWR波形平坦, 符合超宽带天线的要求, 并且相对同尺寸普通蝶形天线理论重量减轻比率达41.8%, 满足了设计需要。

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新型超宽带天线设计 篇7

超宽带无线检测技术[1]的飞速发展带来了无损检测的又一次进步。超宽带无线数据的传输速度更快, 数据包含信息量更大, 功耗更低, 设备成本更低, 保密性更强, 穿透性更好, 这些优点是常规无线检测技术不具有的。性能良好的超宽带天线是确保检测可靠性、高速性以及抗干扰性良好的关键, 天线的设计成为超宽带无线检测技术的重中之重。

为了满足与射频电路等高速电路集成的条件, 天线的小型化设计成为关键, 小尺寸微带单极槽隙天线易于调节阻抗带宽[2], 它能方便地同高速电路集成, 满足设备高集成度, 低功耗的要求。多数检测系统需要多天线集成为阵列以提高检测精度和降低检测次数, 天线阵列一次检测即可获得多组检测数据, 经微型计算机处理后可快速提交检测结果, 但是天线阵列中各个天线会互相串扰, 影响检测精度。调节单个天线的辐射性, 使其辐射方向不互相重叠可大幅降低天线间的串扰。为此必须设计一款超宽带天线, 在满足带宽条件的同时提高天线在正向和背向的辐射强度, 相应降低天线的侧向辐射强度。

天线结构

天线基板的选择

天线基板材料和厚度的选择对超宽带平板天线的带宽影响较大, 天线基板越厚, 天线的宽带性能越好, 但是厚度的增加使天线难以集成。本天线选用1mm厚, 介电常数为4.4的FR-4材料作为介质基板, 该材料造价低, 性能稳定, 是传统PCB板的材料。选用PCB板作为天线基板, 天线可以直接印制在PCB板上, 经过布线后可以方便高速地与芯片互联, 使检测系统体积有效缩小。基板形状选择正方形, 方便紧密排列成阵列形式, 尺寸为16mm×16mm, 详见图1的天线侧视图。

天线辐射单元及接地板设计

天线的辐射单元设计主要影响天线的辐射方向和带宽, 本天线使用类似“T”字形极子有效地减弱天线的侧向辐射, 既降低天线阵列之间的相互串扰, 又确保天线在正向和背向增益高, 穿透力强。

天线辐射单元结构如图1所示, 采用类似“T”字形极子, 极子呈四分叉形与下面的馈线相连, 馈线宽2mm, 与50Ω同轴电缆阻抗匹配。上面两个较小的分叉并不十分明显, 分叉的横向长度用于调整辐射单元至左右两边开槽金属接地板的距离, 实现指定的辐射方向性。较短的横向分叉会提供更宽的带宽, 但会增加天线的侧向辐射, 综合考虑并仿真优化后, 取横向分叉的长度为6.6mm时满足侧向增益低、抗干扰好的性能要求;“T”字形极子下面的两个纵向分叉用于调整辐射单元至下边开槽金属接地板的距离, 补偿由横向分叉导致的天线带宽缩小, 使天线带宽达到指定的5GHz～7GHz。

平板单极天线添加开槽结构有利于天线小型化[3], 开槽的形状及宽和高依天线的不同特性要求而不同[4]。一般选择矩形槽, 开槽的纵向高度低于天线辐射单元高度时, 天线一般具有较宽的带宽;开槽的纵向高度高于天线辐射单元高度时, 天线一般具有较低的侧向增益。

文中设计的天线选用后一种开槽方式, 通过仿真优化最终确定开槽的高度和宽度分别为13 mm×14 mm, 天线的接地板开槽形状如图1所示, 开槽上下两端距基板边缘分别为1mm和2mm, 左右两端距基板边缘各为1mm。开槽后环形馈电地板改变了电流走向, 电流沿地板底部中心馈入, 经由开槽地板的两侧, 最后形成环形馈电网络, 相比于不开槽接地板, 环形馈电网络增加了接地板电流路径长度, 有利于减小微带天线的尺寸。

天线带宽及方向图

天线靠近馈线的两个斜三角结构可辅助调节阻抗带宽, 无三角结构的天线示意图如图2所示。回波损耗曲线S11曲线如图3所示, 在横轴坐标5GHz附近S11曲线过于靠近-10dB限度, 天线实物测试在5GHz处可能带宽不达标, 添加两个三角的渐变结构, 辐射单元的“T”字形横向分叉距离接地板开槽边缘有个渐变的过程, 增加了辐射单元在不同频率上的谐振点, 辅助调节了天线带宽, 使天线-10dB回波损耗曲线向左移动, 避免天线实物测试时可能出现的带宽不达标。添加两个三角结构后天线的S11曲线优化为图3所示。

天线在5GHz～7GHz带宽内具有较高的正向和背向辐射, 侧向辐射较小。辐射方向图如图4所示, 正向辐射增益强度达3.5dB, 而侧向60度处辐射增益小于-4dB, 有效

降低天线阵列间不同天线的相互干扰, 增强天线穿透能力, 使检测结1果精确可靠。

检测系统天线阵列设计

超宽带检测系统类似雷达系统[5], 需要发射天线和接收天线同时工作, 发射天线发射超宽带信号, 遭遇检测物体后发生反射, 由接收天线接收。把发射和接收天线集成为阵列既要求天线之间间距适当, 不互相干扰, 又要求天线数目足够以获得多组检测信号, 检测信号组数越多, 结果越准确。例如, 使用共焦成像技术[6]时, 叠加多组检测信号各自成的图像, 才能有效加强目标图像, 同时减弱非目标的干扰图像。本文设计了两种工作模式的天线阵列, 一种为循环工作模式的天线阵列, 另一种为复用工作模式的天线阵列。

循环工作模式天线阵列

天线阵列设置如图5 (a) 所示, 12个平板天线, 呈4行3列排布。编号1、2、3、4、5、6的为发射天线, 编号A、B、C、D、E、F的为接收天线。1号天线发射A天线接收, 依此类推、共六组天线对 (1-A) 、 (2-B) 、 (3-C) 、 (4-D) 、 (5-E) 、 (6-F) 。每个发射天线依次发射信号, 对应的接收天线接收信号, 完成一次循环。阵列结构的突出优点是密集程度高, 12个方形天线以很小的间距排成矩形阵列。较大限度地缩减了天线占用空间, 12个天线集成在PCB板上尺寸仅约为50mm×70mm, 可以制成便携式手持设备供检测人员随身携带。另一方面, 循环工作使每两对天线工作间距达16mm以上, 不会因距离过近而相互干扰, 该天线阵列适合安装在体积小、便携的仪器设备中。

复用工作模式天线阵列

天线阵列设置如图5 (b) 所示, 个平板天线, 排列在圆盘的中心和边界, 编号依次为1-7。采用复用模式时, 6个天线既可作为发射天线, 又可作为接收天线。当1号天线发射时, 2-7号天线作为接收天线使用;当2号天线发射时, 除2号以外的天线作为接收天线使用。依此类推。天线复用技术可以极大地减少天线个数, 同时获得数量较多的信号组数, 上面结构的天线阵列完成一次检测共获得7×6=42组信号。复用模式的缺点在于天线总数较少时无法紧密集成, 天线间都需保持一定的间距来确保工作时不互相干扰。

结语

本文设计了一款基于超宽带检测系统的小尺寸平板天线, 经过仿真优化, 天线在5GHz～7GHz频带正向辐射达3.5dB, 侧向辐射较低。使用此天线组成天线阵列, 合理安排天线间距, 可以避免天线工作时相互干扰。天线阵列集成度高, 对开发体积小、便携的检测仪器设备具有重要应用价值。

摘要：本文介绍了一款小尺寸超宽带平板天线的设计及其阵列排布。天线采用四分叉形状发射极子, 底部接地板开矩形槽的结构, 有效调节天线的辐射方向和带宽。经仿真测试, 天线满足超宽带检测系统中要求的5GHz7GHz带宽。并将尺寸缩减到16mm×16mm, 易于阵列集成。

关键词：超宽带检测,平板天线,天线阵列,辐射方向

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