PDF《倪国旗》

doi: 10.

3969 / j. issn.1001 - 893x.2013.06.023 一种宽频带高增益

16 单元微带天线阵设计 倪国旗1, 2, , 梁军

1 , 余白平2,张涛

1 ( 1.桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林541004;

2.桂林空军学院,广西桂林541003) 摘要 : 设计了一个中心频率为6.52 GHz具有宽频带高增益特性的16 单元微带天线阵.综 合运用H型缝隙耦合馈电技术、插入空气层技术和在贴片天线上切角的方法展宽天线的带宽.该 天线阵由两层介质板构成,采用反相馈电可抑制高次模的耦合,交叉极化电平低.使 用三维电磁场仿真软件Ansoft HFSS 对该天线阵进行仿真优化,并根据仿真结果做成实物加以验证.对 实物的测量结果表明:天线阵仿真阻抗带宽(S11≤ -

10 dB) 为215%, 增益为19.85 dB;

实测阻抗带宽(S11≤ -

10 dB) 为225%, 增益为18.8 dB.天线阵性能良好,能满足工程实际要求.关键词:微带天线阵;

贴片天线;

缝隙耦合馈电;

宽频带;

高增益;

切角中图分类号:TN822 文献标志码:A文章编号:1001 - 893X( 2013)

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05 Design of a 16element Broadband and High Gain Microstrip Array Antenna NI Guoqi1,

2 ,LIANG Jun1 , YU Baiping2 ,ZHANG Tao1 ( 1. School of Information and Communication Engineering,Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China;

2.Guilin Air Force Academy,Guilin 541003, China) Abstract: A broadband and high gain 16element microstrip array antenna working at 6.52 GHz is designed in this paper. The Hshaped aperturecoupled feeding,inserting the air layer technology and cutting down squares at the patch antenna are adopted to achieve wider bandwidths. The antenna array is consisted of doublelayered substrates. The antiphase feeding technique that contributes to suppress the higher order modes and decrease crosspolarization is also applied. A 3D electromagnetic software( Ansoft HFSS)is used to simulate and optimize the antenna. According to simulated and optimized results, antenna array is manufactured. The simulation results show that the impedance bandwidth of the microstrip array antenna is as good as 21.5%(S11≤ -

10 dB)and the gain is 19.85 dB. And the measured results is that the impedance bandwidth of the microstrip array antenna is as good as 225%(S11≤ -

10 dB)and the gain is 18.8 dB. Therefore,the antenna array with good perfor mance can meet the practical requirements. Key words: microstrip antenna array;

patch antenna;

aperturecoupled feeding;

broadband;

high gain;

cutting edges

1 引言 随着无线通信技术的迅速发展,微带天线日益受到人们的青睐.与 普通微带天线相比,微带天线具有剖面薄、体积小、易与有源器件集成和制作简单等优点.但 是微带天线也有其固有缺点,由于Q值高,因此其带宽较窄;

微带天线单元增益不高,一般只能达到6~8dB左右.因 此,研究微带天线的宽频带和高增益特性一直是天线工程师们十分关心的问题.・687・第53 卷第6期2013 年6月电讯技术Telecommunication Engineering Vol.53 No.6 Jun.

2013 通讯作者:ngq157@163. com Corresponding author: ngq157@163. com 收稿日期:2012 -

12 - 28;

修回日期:2013 -

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12 Received date:

2012 -

12 - 28;

Revised date:

2013 -

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12 基金项目:广西回国基金项目(桂科回0991021) Foundation Item: The Scientific Research Foundation of Guangxi for Returned Chinese Scholars( No.0991021) 展宽天线频带的途径有很多,如增大基片厚度,附加寄生贴片,采用电磁耦合馈电,附加阻抗匹配网络等.目 前,各种不同形式的天线陆续研发出来,比如双层贴片天线、T型微带馈电的矩形宽缝缝隙耦合天线,研究学者们进行了不懈的努力,取得了较大的进展[1-3] .但这些天线增益普遍较低,且在结构上无法进行组阵提高增益.本 文研究了一种宽频带高增益微带天线的设计方法,并用该方法设计了一个16 单元的微带天线阵列.仿 真和实物天线测量结果表明,该天线频带宽,增益高,具有良好的性能.2天线单元设计原理2.1 天线单元贴片形状及尺寸的选择原理天线单元贴片形状的选择有多种,如矩形、圆形、椭圆形、圆环形和三角形等,其中矩形和圆形是微带贴片天线最常用的形式.本 文采用的是矩形微带贴片天线,其一般结构如图1所示.图1微带贴片天线结构图Fig.1 The structure of the microstrip patch antenna 分析微带天线的基本理论大致可分为3种:传输线模型(Transmission Line Model, TLM) 理论、空腔模型(Cavity Model, CM) 理论、积分方程法(Integral E quation Method, IEM) 即全波(Full Mave, FM) 理论.由 于第一种分析计算最简单,本文选用的又是规则的矩形贴片,所以我们使用第一种方法分析计算出矩形贴片的尺寸值.在 图1中,假设矩形贴片宽度为W, 长度为L, 介质板的厚度为h,相对介电常数为εr, 则有W=c2f0 ( ε r +

1 2 ) - 1/2 ( 1) 式中,c 为光速,f0 为矩形贴片天线的工作频率.当 贴片宽度大于式(1) 时,微带贴片天线将可能产生高次模,引起场的畸变.考虑到边缘缩放效应,则有L=λ02εe-2Δ L = c 2f0 ε e-2Δ L ( 2) 式中的延伸量ΔL=0.412h ( ε e + 0.3) (W / h + 0.264) ( ε e - 0.258) (W / h + 0.8) ( 3) 等效介电常数εe=εr+12+εr-12(1+12 h W )-

1 2 ( 4) 2.2 展宽天线单元带宽的设计方法根据天线理论,展宽天线单元带宽的设计方法主要有以下几种.(1) 降低等效谐振电路的Q值微带天线阻抗频带窄的根本原因在于它是一种谐振式天线,它的谐振特性犹如一个高Q值并联谐振电路.展 宽带宽基本途径是降低等效谐振电路的Q值,即增大介质板厚度h和降低介质板的介电常数εr.但介质板厚度过大会引起表面波的明显激励和导致空间发射效率下降;

降低εr的潜力也是有限的,其最小值只能到1, 即采用空气介质.(2) 改变辐射贴片的形状在微带天线辐射贴片的不同位置开不同形状的槽,使辐射贴片获得不同的表面电流,等效于引入阻抗匹配元件,使天线的馈电端形成多级的等效谐振电路,从而实现频带的展宽.(3) 修改等效电路修改等效电路的一种有效措施是附加寄生贴片,它们可以是共面配置的,也 可以是上下配置的[4] .由于寄生贴片的存在,其驻波曲线容易形成双谐振特性,能够很好地展宽带宽.(4) 附加阻抗匹配网络由于线极化微带天线的工作带宽主要受其阻抗带宽限制,因此采用馈线匹配技术能使它工作于较宽频域上.例 如,采用简单的双枝节(开路微带线)匹配技术,可使带宽增大至2倍左右.2.3 天线单元结构设计由前面提高天线单元带宽的方法可知,采用低介电常数介质板和对矩形贴片进行合适的切角可提高带宽.本 文设计的天线单元结构采用两块介质板间插入空气层和对矩形贴片切角的方法提高天线的带宽.插 入空气层能够降低介质板的相对介电常数,对矩形贴片切角可以改变贴片上的表面电流.本文设计的天线单元结构如图2所示,它是上下两层结构,由不同性能覆铜板(介质板)构成.辐 射贴・787・第53 卷倪国旗,梁军,余白平,等:一种宽频带高增益16 单元微带天线阵设计第6期片位于上层介质板的正面,接地板和馈线分别位于下层介质板的正面和背面,接地板中间开一个H形缝隙,辐射贴片上的能量通过缝隙耦合到馈线上.上 层介质板采用的是Arlon 公司的DiClad 880( 介电常数为22, 厚度为1m........