一种新型高增益超宽带UWB宽槽天线阵的设计讲解.docx
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一种新型高增益超宽带UWB宽槽天线阵的设计讲解
一种新型高增益超宽带(UWB)宽槽天线阵的设计
陈董黄晓东程崇虎
(南京邮电大学电子科学与工程学院,南京210003)
摘要:
设计了一种新型高增益超宽带(UWB)宽槽天线阵。
该天线阵采用了一种新型的组阵方式,将两个超宽带宽槽天线正反相对的制作在同一个介质基板的两面,再用微带线进行反相馈电。
这种新型的组阵方式在宽频带内保持了两个天线阵元的同相和对称,用电磁仿真软件IE3D对该天线阵的特性进行了仿真计算。
仿真结果表明,该天线阵带宽为101.7%(|S11|≤-10dB),增益5dBi~7dBi,比单个宽槽增益提高了约3dBi。
关键词:
高增益天线,宽槽天线,天线阵,超宽带
ANovelHigh-GainUltra-wideband(UWB)WideSlotAntennaArrayDesign
ChenDongHuangXiaodongChengChonghu
(SchoolofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing210003)
Abstract:
Anovelhigh-gainultra-wideband(UWB)wideslotantennaarrayispresentedinthispaper.AcoupleofUWBwideslotantennasarefabricatedontheoppositesidesofthesubstrateandfedbymicrostripline.ThecommercialelectromagneticsimulatorIE3Disemployedtooptimizetheperformanceoftheantennaarray.Thismethodkeepsthecoupleofantennasin-phaseandsymmetricaloverawidebandfrequencyrange.Thesimulatedresultsshowthattheimpedancebandwidthoftheantennaarrayisaround101.7%(|S11|≤-10dB).Thegainisfrom5dBito7dBi,whichis3dBihigherthanthatofasinglewideslotantenna.
Keywords:
High-gainantenna;Wideslotantenna;Antennaarray;Ultra-wideband(UWB)
1引言
随着无线通信技术的发展,特别是2002年美国通信委员会(FCC)将3.1~10.6GHz频段作为超宽带(UWB)通信使用[1],使超宽带天线技术的研究成为一个新的研究热点。
在众多的宽带天线结构中,微带宽槽天线因其带宽(|S11|≤-10dB)宽,制造公差要求低等优点而得到了广泛的研究,已经有大量宽槽结构的超宽带天线出现在相关的文献中,如矩形[2-4],三角形和半圆形[5,6],锥形[7]等。
在通信领域中,为了达到一定覆盖范围和信号强度,又要求天线具有较高的增益,而当单个天线达不到增益要求时,组阵是提高增益的一种常见方法。
传统的并联馈电组阵方式[8]如图1(a)和(b)所示,除了馈电结构复杂,占用较大的电路面积外,而且还存在着以下问题:
1、如图1(a)所示的组阵方式无法做到在水平面或垂直面内全向辐射;2、对于宽槽结构的超宽带天线,其接地面的大小对天线性能也有着一定的影响,在采用图1(b)的并联馈电的组阵方式后,由于天线阵元的排列方式不是关于y轴对称,一个阵元的等效接地面会受到另一个阵元的影响,两个阵元的电流分布是非对称的,从而造成天线阵的最大辐射方向与单个阵元的最大辐射方向不一致。
针对上述问题,本文设计了一种新型高增益超宽带宽槽天线阵。
该天线阵采用了一种新型的组阵方式,将两个超宽带宽槽天线正反相对的制作在同一个介质基板的两面,再用微带线进行反相馈电。
这种新型的组阵方式在宽频带内保持了两个天线阵元的同相和对称,用电磁仿真软件IE3D对该天线阵的特性进行了仿真计算。
仿真结果表明,该天线阵带宽为101.7%(|S11|≤-10dB),增益5dBi~7dBi,比单个宽槽增益提高了约3dBi,而且结构紧凑,制作方便。
图1传统宽槽天线组阵方式
2天线结构与性能
图2(a)所示为超宽带宽槽天线阵阵元的结构图[6],图1(b)和(c)分别为阵元天线的反射系数与增益测量值。
图2
图3所示为超宽带宽槽天线阵的结构图。
该天线阵将两个图1(a)中所示的超宽带宽槽天线正反相对的制作在同一个介质基板的两面,再用微带线进行反相馈电,这样就能在宽频带内保持两个天线阵元的同相和对称。
用电磁仿真软件IE3D对该天线阵的特性进行了仿真计算。
图4所示为仿真的天线阵反射系数,从图中可以看出从2.8GHz到8.6GHz,天线阵的反射系数都在-10dB以下,相对带宽为101.7%。
图5所示为仿真天线阵增益,仿真结果表明天线阵的增益为5dBi~7dBi,比单个宽槽增益提高约3dBi。
图3超宽带宽槽天线阵结构图
图4天线阵反射系数
图5天线阵增益
3结束语
本文设计了一种新型高增益超宽带宽槽天线阵。
该天线阵采用了一种新型的组阵方式,将两个超宽带宽槽天线正反相对的制作在同一个介质基板的两面,再用微带线进行反相馈电。
这种新型的组阵方式在宽频带内保持了两个天线阵元间的同相和对称。
仿真结果表明,该天线阵带宽为101.7%(|S11|≤-10dB),天线阵增益为5dBi~7dBi,比单个宽槽增益提高了约3dBi,而且结构紧凑,制作方便。
参考文献
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[4]Y.W.Jang,Experimentalstudyoflargebandwidththree-offsetmicrostrip-fedslotantenna,IEEEMicrowaveWirelessCom.Lett.,Vol.11,425-427,2001.
[5]Y.F.Liu,K.L.Lau,Q.Xue,andC.H.Chan,Experimentalstudiesofprintedwideslotantennaforwide-bandapplications,IEEEAntennasWirelessPropag.Lett.,Vol.3,273-275,2004.
[6]D.ChenandC.H.Cheng,Anovelultra-widebandmicrostrip-linefedwide-slotantenna,MicrowaveandOpticalTechnologyLett.,Vol.48,776-777,2006
[7]S.Cheng,PaulHallbjörner,andAndersRydberg,Printedslotinvertedconeantennaforultrawidebandapplications,IEEEAntennasWirelessPropag.Lett.,Vol.7,18-21,2008.
[8]JohnD.Kraus,RonaldJ.Marhefka,天线[M].北京:
电子工业出版社,2004
作者简介:
黄晓东,男,博士研究生,主要研究领域为微波无源电路,小型化宽带天线等。
陈董,男,博士研究生,主要研究领域为微波滤波器,射频电路等。
程崇虎,男,教授、博导,主要研究领域为微波无源电路,计算电磁学等。
基于RWG分析考虑互耦的贴片天线阵列的方向性
张青1宗鹏2
(南京航空航天大学航天学院,南京210016)1(南京航空航天大学航天学院,南京210016)2
摘要:
以RWG(Rao-Wilton-Glisson)三角基函数为基础的矩量法是分析矩形贴片天线阵列的有效方法,通过求解阻抗矩阵和电流扩展系数,可得到天线表面电流密度。
基于偶极子模型法的RWG法是将包含两个三角的RWG边元的表面电流分布用具有等效偶极子矩量的无穷小偶极子代替来求解天线辐射场。
同以往基于分段正弦基函数的矩量法相比,在保证精度的同时简化了计算,分析表明考虑互耦的贴片阵列的方向特性同理想情况相比发生很大变化。
关键词:
基函数,表面电流,矩形贴片阵列,互耦
AnalyzeTheDirectionCharacteristicofPatchesArraysConsideringTheMutualCouplingBasedonRWG
ZhangQing1ZongPeng2
(SchoolofAstronautics,NanjingUniversityofAeronauticsAndAstronautics,Nanjing210016)1;
(SchoolofAstronautics,NanjingUniversityofAeronauticsAndAstronautics,Nanjing210016)2
Abstract:
MomentmethodbasedonRWGtriangularbasisfunctionsisaneffectivewaytoanalyzetheretangularpatchesarrays.Thispaperachievestheantennasurfacecurrentconsideringthemutualcouplingbysolvingimpedancematrixandcurrentexpansioncoefficient.ThemethodofRWGbasedondipolemodelsolvestheantennaradiationbysubstitutinginfinitesimaldipolewhichhasequivalentdipolemomentforthesurfacecurrentofRWGelementswhichcontaintwotriangles.Comparedformermethodofmomentbasedonpiecewisesinusoidalbasisfunctions,itsimplifiesthecalculation,alsohasthesameprecision.Theanalysisindicatesthedirectioncharacteristicchangesalotbecauseofmutualcoupling.
Keyword:
basisfunction;surfacecurrent;retangularpatchsarrays;mutualcoupling
1引言
阵元互耦是阵列天线固有的重要特性之一,特别是当单元间距较小时,互耦影响不可忽略,但是以往基于乘法原理分析阵列天线方向特性时,忽略了互耦对天线阵性能的影响,而只考虑各阵元的独立作用,这样将使理论分析的数值与实际工作中的数据相差很远,因此不能获得所设计的最佳性能。
分析互耦特性的方法很多,其中矩量法是最广泛的一种。
以往多采用以分段正弦基函数为基础的矩量法分析阵列天线的互耦[1],但得到天线电流扩展系数后用电场积分
法求解方向图就显得比较繁琐。
在此,提出了一种以RWG为基础的矩量法研究贴片式阵列天线的互耦问题,并结合偶极子模型法求解考虑互耦的贴片式阵列天线方向图。
2理想的贴片天线阵列方向图理论
无互耦阵列天线的方向图等于阵元因子与阵因子的乘积,可以表示为:
(1)
式中
分别为阵方向函数,阵元的方向函数,阵因子。
微带贴片单元的方向图可由其等效磁流元的辐射场得出,其辐射等效为二元缝阵的辐射,并且缝上磁流是均匀的,微带单元的E面和H面的方向图可以表示为[2]:
(2)
(3)
其中
表示波数,
表示各方向与Z轴的夹角,L,W为贴片单元的长和宽。
对于M*N元平面贴片阵列,
分别表示单元沿X轴和Y轴方向的间距,当个阵元的激励幅值为1,馈电相位相同时,阵列的阵因子可以表示为:
(4)
以四元平面贴片阵列为例,设贴片单元L=150mm,W=132mm,由公式
(1),
(2),(3),(4)可得无互耦的四元贴片阵列的E面和H面的上半平面的方向图分别如图1,2所示,可以看出无互耦情况下贴片阵列的主瓣方向在Z轴方向,即垂直于阵列平面。
图1E面方向图
图2H面方向图
3考虑互耦的贴片阵列方向图理论
利用RWG边元法求解天线互耦时,首先对阵列天线结构进行建模,然后使用MATLAB函数delaunay对结构进行德络内三角化,将待研究金属的表面被划分为一系列三角,拥有公共边的每对正负三角构成相应的RWG边元[3],每个边元被赋以矢量函数(基函数)f。
包含每个RWG边元之间互耦信息的阻抗矩阵元素可以表示为[4]:
(5)
其中
表示边元n对边元m的感应磁矢量势和标量势。
贴片天线阵列的馈电采取底部驱动探针馈电,假设每个贴片单元的馈电电压为V=1。
扩展电流系数
构成矢量I,它是矩阵方程
的唯一解。
某给定三角a的表面电流密度Ja由M个边元的基函数扩展而成:
(6)
其中Iab,fab为三角a中第b个非公共边所在边元的电流扩展系数和基函数,M为给定三角a所包含非边界边的个数,最多3个边元对三角有贡献,J的单位为A/m。
运用偶极子模型法将包含两个三角的RWG边元的表面电流分布用具有等效偶极子矩量或强度的无穷小偶极子代替来求解天线辐射场,位于原点的无穷小偶极子在矢量r的远点磁场和电场的矢量形式为[5]:
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
其中
。
这里
为偶极子矩量,
是对应元m的RWG边元基函数,
为考虑互耦情况下RWG边元m的表面电流系数,通过矩阵方程求解得到。
对于贴片天线阵列,矢量r处的电场和磁场为所有RWG边元贡献之和:
(12)
(13)
其中Q表示天线阵列结构中RWG边元的总个数。
由四个贴片单元组成的德络内三角化化后贴片阵列的结构如图3所示,接地板面积(400*800)mm,介质厚度为50mm,每个贴片大小为150mm*132mm,相对电介质常数为1,X向单元间距为250mm,Y向单元间距为400mm,当天线工作在300MHz时,结合公式(6)仿真可得贴片天线的表面电流分布如图4示。
图3四元贴片阵列天线结构
图4贴片阵列表面电流分布
由公式(12),公式(13)可得阵列天线的E面和H面的方向图分别如图5(a),图5(b)所示,可以发现天线的主瓣方向由于阵元间的互耦发生了较大变化,也产生了一些副瓣。
(a)贴片阵列E面方向图
(b)贴片阵列H面方向图
图5
同等条件下,基于电磁仿真软件HFSS建立四元贴片阵列模型,仿真得考虑互耦的贴片式阵列天线的E面,H面方向图分别如图6(a),6(b)所示,与图5(a),5(b)对比可以发现两种方法下求得考虑互耦的贴片阵列天线的方向图有很好的一致性,验证了RWG理论研究天线互耦的正确性。
(a)贴片阵列E面方向图
(b)贴片阵列H面方向图
图6
4结论
针对贴片阵列单元间的互耦问题,运用以RWG边元法为基础的矩量法求解,仿真贴片式阵列天线的表面电流分布,用简单的偶极子模型法取代传统的电场积分法求解阵列方向图,分析了理想情况下和考虑互耦情况下贴片阵列的E面和H面的方向图,并与HFSS软件仿真的贴片阵列方向图进行对比,得到很好的吻合,验证了理论正确性。
可以发现由于互耦的存在天线方向图特性发生了变化,此方法在保证精度的基础上简化了计算。
但RWG方法存在阻抗矩阵的维数有限制以及运行时间相对长的问题,存在的问题可考虑矩阵方程的迭代求解和程序矢量化得以解决。
参考文献
[1]兰关军,尚军平,邓颖波.阵列天线互耦的矩量法分析[J].电子技术,2008,21(8).
[2]张钧,刘克诚,郝崇骏.微带天线理论与工程.北京:
国防工业出版社,1988年7月
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北京邮电大学出版社,2006.
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AnalysisandDesign[M].2nded.NewYork:
Wiley,1997.
[6]李世智.电磁辐射与散射问题的矩量法[M].北京:
电子工业出版社,1985.
作者简介:
张青,男,硕士,主要研究领域为微带阵列天线互耦,自适应天线。
宗鹏,男,教授、博士生导师,主要研究领域为微带天线,天基通信网络。
基于H形缝隙耦合的宽带双极化微带天线
张辉1赵彬2袁乃昌1
(1国防科学技术大学电子科学与工程学院,长沙410073;2空军第一航空学院一系检测教研室,河南信阳,46400)
摘要:
本文制作并测量了一种基于H形缝隙耦合馈电的微带双极化天线,两个正交极化的线天线一致性非常好,驻波小于-10dB的相对带宽均达12%,双极化端口的隔离度达到-30dB,方向图前后比达-19dB,交叉极化小于-23dB,最大增益值为6.6dB左右,3dB增益带宽达16.5%,实现了低后瓣宽带双极化微带天线的设计。
关键词:
微带天线,双极化,缝隙耦合
BroadbandDualLinearPolarizationH-shapedApertures-coupledMicrostripAntenna
ZhangHuiLiYouQuanYuanNaiChang
(SchoolofElectronicScienceandEngineering,NUDT,Changsha410073,China)
Abstract:
DesignofbroadbandduallinearpolarizationmicrosrtipantennawhichiscoupledbytwoH-shapeedaperturesispresentedinthispaper.Thestandingwavebandwidthofproposedantennais12%andtheisolationoftwoportsis-30dB.Thefront-to-backratiooftheantennaradiationpatternisbetterthan-23dBandtheantennagainis6.6dB.Thisresultsindicatesthattheproposedantennarealizeagoodperformanceduallinearpolarizationmicrosrtipantenna.
Keywords:
microstripantenna,linearpolarization,apertures-coupled
1前言
80年代以来出现了多种电磁耦合型馈电方式[1],其结构上的共同特点是贴近(无接触)馈电,可利用馈线本身,也可通过一个口径(缝隙)来形成馈线与天线间的电磁耦合[2]。
这对于多层阵中的层间连接问题,是一种有效的解决方法,并且大多能获得宽频带的驻波比特性。
本文制作并测量了一种基于H形缝隙耦合馈电的微带双极化天线。
双极化天线也是一种特殊的圆极化天线[3],它可以通过外接一个3dB电桥,实现两个馈电端口的90度相差,若再增加用一个微波开关可以实现左右旋自适应圆极化天线,因此对于双极化天线的研究具有重要的意义。
能够实现双极化工作的天线形式有多种,微带大线由于其馈电网络、辐射无的设计比较灵活,加工制作成本低,便于批量生产等优点。
因此,用微带天线实现双极化已经得到广泛的关注。
2双极化微带天线结构设计
微带天线因为其具有轻、薄和容易共形的特点,在各种作战平台上得到广泛的应用。
口径耦合馈电微带天线有两个主要的优点[4]:
(1)口径耦合馈电方式的设计,消除了传统探针式馈电贴片天线的制造过程中为确保探针与馈电电路和贴片之间的连接所不可避免的焊接问题,降低了构造大型贴片天线阵的难度;
(2)夹在馈电电路和辐射贴片间的接地板,避免了馈电网络附加辐射对微带天线辐射方向图的影响[5]。
天线输入阻抗的大小能通过口径的尺寸和位置进行调节,此外通过调节调谐开路线可以消除耦合口径所引起的过大的电抗[6]。
天线结构如图1所示,由两根相同50的微带线分别对两个正交的“H”形缝隙馈电,能量通过缝隙耦合到方形贴片,激励起幅度相等、相位相同的TM01模和TM10模,从而形成双极化天线。
图1基于“H”形缝隙耦合微带振子天线结构
在仿真软件HFSS9.0的辅助下,制作并测量了一个中心频率在3.25GHZ的宽带双极化微带天线。
天线的结构参数如下:
天线上层介质基板介电常数
和厚度
=5mm;罩介电常数
和厚度
m;下层介质基板的介电常数
和厚度
mm;上层空气层厚度
mm,L=25mm,La=7mm,Lb=7mm,Wa=0.5mm,Wb=1mm,S=10mm,Ls=4mm,Ws=1.1mm。
3双极化微带天线性能测量结果
3.1驻波特性与隔离度
天线的驻波特性由网络仪测量如
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