為無(wú)線應(yīng)用設(shè)計(jì)分析和測(cè)試寬帶圓極化小型微帶天線

1、為無(wú)線應(yīng)用設(shè)計(jì)分析和測(cè)試寬帶圓極化小型微帶天線摘要：GPS、衛(wèi)星手機(jī)都需要寬帶小型圓極化天線。微帶天線有固有的窄帶寬，因此要求增加帶寬和減小天線的尺寸，這篇論文主要是討論天線的設(shè)計(jì)和寬帶小型圓極化天線MSA測(cè)試。所設(shè)計(jì)的天線帶寬通過(guò)使用EC堆疊貼片天線來(lái)擴(kuò)大的。所設(shè)計(jì)的天線具有3 dB的軸比AR 16.71%和駐波比BW（駐波比小于2）20.17%。它通過(guò)加載的輻射貼片上的交叉縫隙，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)明顯的量的減少，這篇論文還分析了不同的模擬設(shè)計(jì)在駐波比、軸比、阻抗、增益以及回波損耗。在天線建造好之后，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（R&S來(lái)300KHz-8GHz）測(cè)量天線，然后發(fā)現(xiàn)所測(cè)量的結(jié)果和預(yù)計(jì)模擬的結(jié)果十

2、分吻合。關(guān)鍵詞：軸比（AR）、駐波比（VSWR）、阻抗、緊湊、電磁耦合（EC）、極化（CP），微帶天線1. 介紹 現(xiàn)如今，由于無(wú)線系統(tǒng)的高速發(fā)展，尤其是衛(wèi)星通信，對(duì)于天線的要求也愈加提高。在衛(wèi)星通信方面，如果移動(dòng)臺(tái)在仰角和姿態(tài)的變化，天線的發(fā)送和接收信號(hào)是在一個(gè)恒定的水平，這種理想的結(jié)果是很令人滿(mǎn)意的。因此，寬帶圓極化和尺寸小型化的天線應(yīng)運(yùn)而生。微帶天線由于重量輕，體積小，生產(chǎn)成本低，非常適合于這種應(yīng)用。雖然傳統(tǒng)的貼片天線在單一饋電方式下可以產(chǎn)生一個(gè)圓極化輻射模式，但是當(dāng)我們從高處極點(diǎn)向瓦層移動(dòng)的時(shí)候，天線的增益就會(huì)減小，增益是伴隨著軸向比的變小而變小的。在過(guò)去的幾年里，帶有插槽的貼片天線調(diào)查

3、得出使得天線變得更加緊湊，帶寬更加大。因此選擇合適的進(jìn)料工藝、基材材料、偏振類(lèi)型、寬帶技術(shù)，尺寸縮小技術(shù)對(duì)一個(gè)天線的成功設(shè)計(jì)有重要的作用。單饋電方式的圓極化微帶天線（CP）由于它的簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)被大家有興趣的考慮。他們可以用比雙饋圓極化微帶天線更少的饋電板的空間，來(lái)更簡(jiǎn)潔的實(shí)現(xiàn)8。 Yan Shan Boo 等人用探針饋電矩形貼片與一個(gè)寄生元件，以實(shí)現(xiàn)12的軸向比帶寬10。他們主要的貼片是在厚（86.0mm*77.5mm）的FR4（r=4.3,tan=0.02）襯底上制造的，它的上貼片（114.0毫米104.0毫米）是在泡沫薄FR4基板上構(gòu)建而成的。然而，制造泡沫寄生貼片本身就是很困難的，更何況是

4、驅(qū)動(dòng)貼片對(duì)準(zhǔn)，因此，在本篇文章中，代替空氣電介質(zhì)是可以降低工業(yè)制造難度的介質(zhì)。 為了設(shè)計(jì)一個(gè)單饋電方式的微帶圓極化貼片天線（CP），包括截?cái)嘌a(bǔ)丁角落和嵌入在輻射貼片的橫槽，都常采用攝動(dòng)方法，使用一個(gè)接近正方形的貼片67,其中，采用了十字槽的優(yōu)點(diǎn)是所需的貼片尺寸是相比于其它方法對(duì)于一個(gè)給定的圓極化頻率小1.為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)正交模式，這個(gè)模式有相同的振幅和相位差，十字槽必須被設(shè)計(jì)成具有適當(dāng)?shù)牟坶L(zhǎng)度比，并通過(guò)調(diào)整供給位置，50輸入阻抗可以在貼片中找到。十字槽的所需時(shí)隙長(zhǎng)度比主要是由其時(shí)隙長(zhǎng)度決定。對(duì)于較大的槽長(zhǎng)度，微帶天線具有相對(duì)較低的圓極化工作頻率。本篇論文分析圓極化帶寬和諧振頻率不同的插槽長(zhǎng)度的效果

5、。 為了實(shí)現(xiàn)良好的圓極化特性，將同軸饋電的位置進(jìn)行了優(yōu)化，將饋電位置通過(guò)X0=XCos和Y0=XSin在開(kāi)始的時(shí)候被固定在了饋電位置（X0，Y0）的弧上3，這種饋電優(yōu)化方式對(duì)提高圓極化堆疊微帶天線的設(shè)計(jì)要求十分有用。 .天線的設(shè)計(jì) 現(xiàn)在有大量得提高天線帶寬的方法，例如，優(yōu)化饋電探頭，使用多重共振，使用折疊的貼片進(jìn)行饋電，或者使用開(kāi)槽輻射單元。平面輻射元件的形狀是由與槽反應(yīng)性加載它設(shè)計(jì)和Chair.R等4優(yōu)化而成的。它也表明，一個(gè)U形槽引入了輸入阻抗的電容成分抵消探針的電感分量，還補(bǔ)償了增加電感效應(yīng)，由于狹槽，所述基板的厚度增大，因此作為厚度相應(yīng)地增加了帶寬的增加。在本文中，兩個(gè)正交交叉縫隙被引

6、入以實(shí)現(xiàn)所需的特性。A. 仿真模擬的建立 天線的諧振特性進(jìn)行了預(yù)測(cè)和優(yōu)化使用，它使用瞬間優(yōu)化技術(shù)方法高電磁場(chǎng)仿真軟件IE3D。設(shè)計(jì)過(guò)程開(kāi)始于確定該長(zhǎng)度，寬度和電介質(zhì)物質(zhì)的種類(lèi)對(duì)于給定的工作頻率為每次用MATLAB軟件的標(biāo)準(zhǔn)方程，然后該多層電介質(zhì)法（疊層）被用于引入厚的空氣電介質(zhì)，以進(jìn)一步增強(qiáng)帶寬5 。除此之外將兩個(gè)交叉縫隙整合并優(yōu)化;這降低了天線的尺寸。在最后所述探針饋送引入用于獲得所需要的帶寬，諧振頻率和增益值。B. 天線的物理結(jié)構(gòu) 這兩個(gè)幾乎正方形補(bǔ)丁蝕刻在分開(kāi)的基底上，他們是在底部襯底厚度h1和相對(duì)介電常數(shù)1，與厚度H3和相對(duì)介電常數(shù)3頂部基板。為了方便起見(jiàn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，兩個(gè)基板的厚度

7、均為H1= H3= 1.6毫米，并且 1=3= 4.4。為了實(shí)現(xiàn)較寬的帶寬，稍微上層的貼片（15.89 mm 13.9 mm）是在FR4基板制造的（FR4介質(zhì)的電特性r = 4.4, tan = 0.02，），空氣介質(zhì)夾在兩者之間（空氣介質(zhì)的電特性r = 1.0, tan = 0.001）。該貼片被給予了優(yōu)化后的饋電位置以得到廣泛的輻射和良好的圓極化波?？p隙參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到良好性能的軸向比參數(shù)。天線設(shè)計(jì)的尺寸列于表I給出，并且所有的單位為毫米。 采用同軸探頭的電磁耦合（鄰近耦合）微帶天線被廣泛的應(yīng)用在目前的工作中。此饋電機(jī)構(gòu)從靈活性的制造和匹配得到了很多優(yōu)化。探針的確切位置是由沿弧線改變探

8、針來(lái)定位X-Y軸之間的最佳點(diǎn)來(lái)確定的。同軸探針位置首先確定上部貼片長(zhǎng)度為大約三分之一。同軸探針位置是沿著x軸進(jìn)行模擬，用以獲得與負(fù)載的最佳阻抗匹配。此后，將探頭位置沿XY軸模擬具有不同的角度，以找到最佳的圓偏振的性能在該工作頻率范圍內(nèi)天線的良好阻抗匹配。 . 結(jié)果與討論A. 仿真結(jié)果這個(gè)仿真結(jié)果是基于假設(shè)地平面為無(wú)窮大的情況下完成的。開(kāi)槽貼片天線在中心兩個(gè)交叉槽模擬結(jié)果示于圖1和圖2。在圖1所示的貼片的回波損耗特性給出了由對(duì)稱(chēng)地增加時(shí)隙的近正方形貼片的諧振頻率被降低，導(dǎo)致降低天線的整體尺寸。 圖一 回波損耗與頻率變化曲線應(yīng)當(dāng)指出的是，設(shè)計(jì)的天線共振于4.208 GHz的。天線的模擬的VSWR帶

9、寬是大約849MHz的（20.17）覆蓋的頻率范圍從3.9344 GHz到4.784 GHz，天線的軸比帶寬是約703.28MHz的（16.71），如圖2所示。實(shí)現(xiàn)了增益超過(guò)6.0 dBi，共振頻率和天線效率約為61。 圖二 軸向比和頻率的變化曲線 B.參數(shù)研究A. 不同的時(shí)隙長(zhǎng)度的影響用天線的不同的原型進(jìn)行了不同的縫隙插槽長(zhǎng)度的模擬，有L1 =15.89毫米，L2= 17.5Hz毫米和W1= W2=13.90毫米。它首先注意的是，當(dāng)L1增大和12保持恒定時(shí)，天線還能保持良好的圓極化的特性，饋電點(diǎn)被移動(dòng)朝向貼片中心，得到50輸入阻抗。另外，當(dāng)L1增加時(shí)，圓極化的帶寬的中心頻率有所降低，如表II

10、所示。在L1= 6mm的情況下和l2=4mm，中心頻率降低到4.1792 GHz的時(shí)候，這相比于天線I的減少了5.3，并在輻射貼片的十字槽的槽長(zhǎng)比提高到1.5。（參考圖3和圖4） 圖三 回波損耗的變化和頻率在不同的插槽長(zhǎng)度的變化曲線 圖四 駐波比的變化和頻率在不同的插槽長(zhǎng)度的變化曲線b.寄生貼片的不同長(zhǎng)度的效果下部方形貼片長(zhǎng)度L1被取為15.89毫米和頂方形貼片長(zhǎng)度L2是從16.0毫米至17.5毫米（表III）變化?；蛘呤褂每諝忾g隙（H2= 5），使用IE3D得到駐波和阻抗曲線，L2的四個(gè)值示于圖5和圖6。為實(shí)現(xiàn)L2的阻抗帶寬= 17.5Hz mm的772.8MHz的，比360MHz的的零空隙

11、中獲得的帶寬要大得多。 圖五 駐波比的變化和不同的寄生貼片長(zhǎng)度的變化曲線 圖六 阻抗特性和不同的寄生貼片長(zhǎng)度的變化曲線C. 有限接地平面的影響 當(dāng)從一個(gè)微帶天線的輻射被認(rèn)為是圓偏振，它通常是假定接地平面延伸到無(wú)限大。然而，在實(shí)踐中，接地平面總是有限的，但它可以通過(guò)一個(gè)非常大的尺寸來(lái)近似，接地平面的邊緣的影響可顯著修改輻射模式以及軸比2。接地平面尺寸為35mm32毫米，計(jì)算的天線參數(shù)如表I所述。它可以觀察到，通過(guò)一個(gè)有限接地平面的作用，軸比被明顯修改（圖7），而增益和天線的效率都降低了不少。此外，對(duì)于有限接地平面，背面裂片都存在，而對(duì)于無(wú)限地平面，在輻射圖案中沒(méi)有回波瓣，如圖 8所示。阻抗BW和

12、軸比帶寬的模擬值都列在表IV中。所設(shè)計(jì)的天線的幾何結(jié)構(gòu)在圖9中如（a）所示。 圖七 對(duì)于有限地平面的VSWR特性 C. 測(cè)量結(jié)果 制造后的天線（圖9（b）的，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）（R300 KHz-8 GHz）進(jìn)行測(cè)試。測(cè)得的VSWR帶寬為806 MHz的3.89 GHz的（參見(jiàn)圖10,11）共振的-25.769 dB的回波損耗。將測(cè)量和模擬的結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果在表中給出。 圖八 有限大平面的輻射模式圖 圖九 a為天線的設(shè)計(jì) b為使用VNA進(jìn)行天線的測(cè)量（R&S300KHz-8GHz) 圖十 回波損耗的仿真比較和實(shí)際測(cè)量結(jié)果 總結(jié)一種用于增強(qiáng)貼片天線的帶寬技術(shù)已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來(lái)了，將與上部

13、和下部貼片和橫槽之間的空氣介電堆疊的貼片天線在較低的補(bǔ)丁被并入，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，也可以方便地制造。該天線是被成功設(shè)計(jì)，可以匹配所需的特性，并且可以達(dá)到約20.17的VSWR帶寬，16.71的AR帶寬，覆蓋的頻率范圍從3.9344 GHz到4.784 GHz的約6.0 dBi的峰值增益值，可以在眾多無(wú)線設(shè)備中使用，尤其是在衛(wèi)星通信方面。 圖 十一 仿真的VSWR結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較 圖十二 測(cè)量所得輸入阻抗（史密斯圓圖） 時(shí)隙長(zhǎng)度和對(duì)天線性能的寄生貼片長(zhǎng)度的變化的影響進(jìn)行了研究。據(jù)觀察，諧振頻率會(huì)降低，因此當(dāng)槽的長(zhǎng)度要減小，當(dāng)槽的長(zhǎng)度接近天線的尺寸時(shí)。天線的設(shè)計(jì)是制定并使用矩量法澤蘭德IE

14、3D軟件進(jìn)行了優(yōu)化。一個(gè)有限接地平面的上圓偏振微帶天線的影響也進(jìn)行了研究。這個(gè)結(jié)果已經(jīng)顯示，軸向比可以通過(guò)引入一個(gè)有限接地平面大大的提高將近16.71，而天線的增益和效率都會(huì)降低。獲得的測(cè)量結(jié)果與7.5中的諧振頻率的誤差偏移相比，誤差結(jié)果是令人滿(mǎn)意，而誤差的主要原因主要是由于制造公差。增益和效率不滿(mǎn)足規(guī)范，因此可以進(jìn)一步提高利用覆層，也作為用于天線保護(hù)蓋。表 仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果的比較 參考文獻(xiàn)1 Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon, Microstrip Antenna Design Handbook, A

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