HFSS天线论 2009天线年会论 3-1

带有新型寄生单元的印刷偶极子天线李晋阳 张小苗 杨 倩 赵旭东 王银行（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：针对印刷偶极子带宽窄，增益相对较低，带内增益不稳定的缺点，本文设计了一种基于新型寄生单元的印刷偶极子, 具有平面结构，覆盖2.3GHz-3.9GHz频段，仿真及实测结果表明，该寄生单元能有效展宽带宽，提高增益,而且增益在绝大部分工作频带内稳定在9dB。关键字：印刷偶极子，平面天线，寄生单元，宽带，高增益A Printed Dipole with Novel Parasitic ElementsLi Jinyang Zhang Xiaomiao Yang Qian Zhao Xudong Wang Yinhang(National Key Laboratory of Antennas and Microwave Technology，Xidian University, Xian 710071)Abstract: A printed dipole with novel parasitic elements is presented to improve the bandwidth and the gain, covering 2.3GHz3.9GHz bandwidth. It has a steady gain of 9dB in most of the operating band .The simulated and measured results show the parasitic elements can increase the bandwidth and the gain efficiently. Keywords: printed dipole; planar antenna; parasitic element; wideband; high gain91 引言印刷偶极子除具有对称振子的性能外，还具有平面结构，易于与其他系统集成，体积小，制作简单，广泛应用于基站天线，射频识别等一系列现代通信领域。然而，偶极子也存在着带宽窄，增益低，带内增益不稳定等缺点。为此，对于印刷偶极子的改进成为当前一个研究热点。目前，偶极子展宽带宽的方法主要包括：套筒加载1，将天线轮廓设计为渐变结构2，优化馈电巴伦3等。提高增益的方法包括：加反射板，反射板设计为EBG 结构4，采用阵列天线5等。 基金项目：国家自然科学基金（No. 60671056）折合振子、平面八木天线6可以有效地展宽天线的带宽，使得相对带宽达到50%左右，但增益通常只有5dB6dB，不足以达到高增益的要求。Shi-Wei Qu7等人的工作不仅展宽了印刷偶极子的带宽，而且将增益提高至14dB以上，但其为立体结构，体积较大，且不易与其他系统集成。上述展宽带宽，提高增益的方法要么结构复杂，要么不能同时实现宽带、高增益性能，具有一定的缺点，使用阵列形式，还需要另外设计功分器，使得天线尺寸变大。本文在印刷偶极子的基础上增加了4个对称的矩形平面寄生单元，改善了阻抗匹配，使天线在电压驻波比小于2的情况下，阻抗带宽能够覆盖2.3GHz3.9GHz，相对带宽达到52%，并且天线在2.5GHz3.6GHz带宽中增益稳定在9dB。并且该天线具有平面结构，结构简单，带宽和增益均较无寄生单元时大为提高。2 天线结构设计本文所设计的天线采用印刷振子结构，使用微带耦合馈电，介质板一侧为微带巴伦，另一侧为印刷振子及对称分布的4个寄生单元，并将天线垂直置于160mm100mm的金属反射板之上，采用50WSMA馈电。其中，介质采用FR4（r=4.4）材料,厚度为1.6mm。天线各部分尺寸见图1及表1。图1 天线各部分尺寸表1 天线设计尺寸（单位：mm）L110W210Lp250W55W33.2Wp12L121.5W41.4Wp22L220Ws3Sp16W110Lp120S130S223由于对称振子是需要平衡馈电的，馈电巴伦的设计就尤为重要。如图1所示，微带巴伦包括为一段微带线，一段1/4g开路线，和位于背面振子之间的一段1/4g短路槽线。这种耦合馈电结构业已证明具有宽带特性，且具有平衡电流的作用。但是由于在馈电点天线的谐振阻抗约为80W，所以将开路线设计为较窄的微带线，为了与50W设备相连接，在巴伦起始部分，应将其设计为阻抗约63W的1/4g微带线。在实际设计中，发现起始部分直接设计成50W微带线对扩展阻抗带宽更有益，故本文采取50W微带线，相应的W3=3.2mm。造成这种与理论上的差距，其原因应该是寄生单元的引入改变了天线的阻抗，进而使得匹配也随之改变。共面寄生单元的基本原理为:在主馈电贴片周围增加寄生贴片单元，主馈电贴片通过耦合激励寄生贴片。如果所有贴片激励起的谐振频率差别不大，即贴片的谐振点离得比较近，那么就有可能获得比较宽的频带。本文设计所设计的4个寄生单元均通过间隙间接耦合激励。其中，两个水平放置的寄生单元，长度都约为1/4g，距离偶极子约1/4波长，可以看作是一种引向结构，由天线阻抗理论分析可知，它们与原有的偶极子及其镜像产生互耦，可以有效地展宽带宽。本文所设计的两个竖直寄生单元，可以看作是平面反射板向上折起的等效，与角反射器的原理类似，通过向上反射低仰角的电磁波达到压缩波束宽度的目的，使电磁波尽可能向上方辐射，从而提高Z方向上的增益。3 仿真结果及分析利用Ansoft HFSS 11对上述天线进行仿真，经过适当调整S1,S2,Lp1,Lp2及Sp1的值，使天线的阻抗匹配达到最佳的同时，天线的增益达到最大。经过数值仿真优化后，当S1=30mm, S2=23mm, Lp1=20mm, Lp2=50mm及Sp1=6mm时，天线在S11-10dB内的带宽覆盖2.3GHz3.9GHz，相对带宽达到52%。作为对比，本文仿真了一个没有寄生单元的天线（其他尺寸相同），其带宽只能覆盖2.6GHz3.75GHz,相对带宽只有36.2%。可见，该寄生单元的使用有效地改善了天线高频及低频端阻抗匹配，有效地增加了带宽（如图2所示）。S11实测结果在3.6GHz左右比仿真结果略高，可能是由于加工、焊接及测试环境等原因所致。与此同时，寄生单元的引入，改善了天线的定向性，提高了增益。与不使用寄生单元相比，该天线除在2.5GHz附近增益为9dB，与对比天线基本持平外，在中频及高频段，使用寄生单元可以明显提高增益1dB2dB，并在3.6GHz附近最大可提高2.4dB（如图3所示）。此外，没有寄生单元的天线，其增益在高频端下降较快，增益较低，而引入了寄生单元的天线，其增益随频率变化缓慢，并始终保持在7dB以上，可见，寄生单元的引入，可使增益在绝大部分频带内保持平稳。图2 S11图3 增益随频率变化仿真曲线图4 天线在3GHz时的电流分布图4为天线在中心频率3GHz时的电流幅度分布，从图中可以看出，偶极子以及两个水平寄生单元上的电流较大，说明水平放置的寄生单元被感应出了可以产生辐射电流，从而形成较强的辐射，有效地提高增益。而竖直的两个寄生单元电流较小，与地板的电流强度相当，故将其视为类似角反射器的结构也较为合理。(a) 2.3GHz E面、H面方向图(b) 3GHz E面、H面方向图(c) 3.9GHz E面、H面方向图图5 天线仿真方向图图5为天线在2.3GHz，3GHz和3.9GHz时的E面、H面主极化和交叉极化仿真方向图，由图可知，天线的H面波束宽度分别达到70，90，70；E面波束宽度分别为50，50，70，可见，该天线具有宽波束特性。天线的交叉极化在低频和中频时，小于-15dB，在高频点时小于-10dB，较差的交叉极化性能出现在3.9GHz时，=60附近，交叉极化仅小于-3dB。由图5可知，虽然天线的交叉极化性能，在比较大的情况下，随着频率的增高而下降，但在绝大部分频带内具有较低的交叉极化。图6为天线实物照片。图6 天线实物照片4 结论本文在传统印刷对称振子的基础上，增加了4个与对称振子共面的新型寄生单元。利用天线互阻抗理论和角反射器理论对天线进行了初步分析，结果表明，该天线能够覆盖移动通信中2.3GHz3.9GHz工作频段（中心频率3GHz），相对带宽达到52%,增益在绝大部分频带内稳定在9dB左右，并在整个工作频带内高于 7dB，且天线具有宽波束，H面波束宽度大于70，E面波束大于50，交叉极化在绝大部分频带内小于-10dB。该天线在整个工作频带内，除具有宽带、高增益性能外，方向图一致性也较好。此外，该天线还具有平面结构，易与制作，方便与电路集成。与不使用寄生单元相比，具有展宽带宽，提高增益，增益在带内稳定，且工作频带内方向图一致性较好的优点，可广泛应用于基站天线，射频识别等无线通信领域。参 考 文 献1Yacouba coulibaly, tayeb a. Denidni, and larbi talbi ,Broadband Coplanar Waveguide Fed Printed Monopole Antenna with Strip-sleeves, Microwave and Optical Technology Letters , vol. 48, no. 2, February 20062Petr Cerny, Milos Mazanek, Simulated Transient Radiation Characteristics Of Optimized Ultra Wideband Printed Dipole Antennas, Radioelektronika, 2007. 17th International Conference 24-25 April 2007 Page(s):1 63Peter Lindberg, Erik Ojefors, Anders Rydberg, Wideband Slot Antenna for Low-Prole Hand-held Terminal Applications, Proceedings of the 9th European Conference on Wireless Technology4Lida Akhoondzadeh-Asl, Douglas J. Kern, Peter S. Hall, and Douglas H. Werner, Wideband Dipoles on Electromagnetic Bandgap Ground Planes, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 55, no. 9, September 20075RongLin Li, Terence Wu, Bo Pan, Kyutae Lim, Joy Laskar, and Manos M. Tentzeris, Equivalent-Circuit Analysis of a Broadband Printed Dipole with adjusted integrated Balun and an Array for Base Station Applications, IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Volume PP, Forthcoming, 2009 Page(s):1 16Sergio E. Melais and Thomas M. Weller, A Quasi Yagi Antenna Backed by a Metal Reector, IEEE transactions on antennas and propagation,vol.56, NO.12, p3868, December 2008.7Shi-Wei Qu, Jia-Lin Li, Student Member, IEEE, and Quan Xue, High-Gain Wideband Leaky-Wave Antenna Excited by Bowtie Element, IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.56, NO.8, p2469, August 2008.作者简介：李晋阳，男，硕士研究生，研究方向为超宽带、小型化天线技术。张小苗，男，教授、硕士生导师，主要研究领域为移动通信天线技术、相控阵天线技术、共形相控阵天线技术和反射面天线技术等。一种谐波抑制圆极化微带天线的设计江 超 杨雪霞(上海大学通信与信息工程学院,上海200072)摘 要：本文设计了一种基于缺陷地结构的谐波抑制圆极化微带天线。采用对方形贴片切角的方式激励圆极化，利用双“哑铃”型缺陷地结构单元抑制二次谐波。天线二次谐波的回波损测试值在-4dB以内，最大增益可达到7dBi，波瓣前后比为-13dB，3dB轴比带宽为85MHz。该天线用于射频前端，在一定程度上可实现射频前端的小型化。关键词：微带天线，圆极化，谐波抑制，缺陷地结构Design of A Circularly Polarized Microstrip Antenna with Harmonic SuppressionJiang Chao Yang Xuexia(School of Communications and Information Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)Abstract: A circularly polarized microstrip antenna with harmonic suppression based on defected ground structure is presented in this paper. Angle-cutted rectangle patch excites circularly polarization. The second harmonic is suppressed by two dumbbell-shaped DGS units. The measured S11 is -4dB at the second harmonic, the gain is 7dBi and the front-to-back ratio is -13dB with 85MHz CP bandwidth (axial ratio 3dB). The antenna is applied to RF front-end and realizes the miniaturization in some degree.Keywords: microstrip antenna; circularly polarization; harmonic suppression; defected ground structure1 引言缺陷接地结构（DGS）是由韩国学者J.I.Park等人在研究光子带隙结构基础上提出的1。DGS能使得微带线具有带隙特性和慢波特性，从而可以应用在抑制天线高次谐波2、低通滤波器3、功分器4等方面。相比光子带隙结构，DGS结构更简单，更适于微波毫米波电路的应用。 基金项目：上海市大学生创新基金项目（CXXJ08-034）文献5使用了双圆形缺陷地板和圆形辐射贴片，很好地解决了交叉极化的辐射电平，但没有实现圆极化。文献6在矩形辐射天线中加入了平行耦合微带线滤波器，具有良好的二次谐波抑制效果，其缺点就是整个天线单元占用面积过大。文献7中提出了一种新型的矩形微带天线结合双开环滤波单元，二、三次谐波得到了的滤除，谐波抑制在-5dB左右。文献8中采用了TDGS的天线结构，二、三次谐波的抑制达到了-3dB以内，但TDGS占用面积较大。本文设计了具有二次谐波抑制功能的圆极化天线，用于射频前端可减小其体积。2 天线结构设计2.1 天线圆极化的实现贴片天线采用微带线边缘馈电，如图1所示，方形贴片的边长可由公式（1）确定。图1 贴片结构图 （1）切角方形贴片能够激励TM01模和TM10模，从而实现圆极化，结构如图1所示。通过软件仿真，得到贴片输入端口点a的输入阻抗为200W。用/4阻抗变换器将200W转换成50W，便于测量和加载DGS单元。/4波长变换器的特性阻抗为Zc。 （2）根据公式（2）可以计算出变换线的特性阻抗为100W。2.2 DGS的设计这里采用结构简单的哑铃型DGS。该DGS结构在50W微带线的另一侧，即接地板上，结构如图2所示，哑铃半径为r，哑铃握柄宽为g，单元间距为d，哑铃握柄长为L。图2 双哑铃结构用HFSS分析DGS的频响特性，图3是仿真的S参数曲线，可以看出此DGS结构在10G12G的高频带内，回波损耗好于-2dB。这种DGS结构结合天线使用，可以弥补在低频通带内的不足。3 天线仿真和实验DGS对天线特性有影响，所以对这种天线需要综合分析。天线的结构如图4所示，介质板厚1.5mm，介电常数为2.65。长宽分别为44mm和40mm。馈线和天线共面，而DGS在接地板上。缺陷地的几何尺寸分别为r=1.7mm, g=0.8mm, d=4mm, L=4mm。图3 双哑铃型DGS的S参数的特性图4 天线结构3.1 天线仿真对DGS单元的截止频率影响最显著的是哑铃半径r 和哑铃握柄宽g。哑铃的面积越小，截止频率越高；g越窄，截止频率越低。而L参数和d参数则同样可以引起截止频率的改变，如图5所示，L越长，截止频率越小；如图6所示，d越大，滤波器的选通性就越强。圆极化性能决定性因素是方形贴片的切角。图6是馈线偏移量D对圆极化的性能的影响。因为切角之后的方形贴片改变了贴片表面电流的流向，使其沿着贴片边缘旋转，而贴片边缘的一段馈线在一定程度上导致了表面电流分布的不均匀，所以通过改变边缘馈电位置使得表面电流流动的平衡，完成最佳圆极化效果。增益和轴比的仿真图，如图7所示。图5 L对S参数的影响图6 d对S参数的影响图7 随D影响的轴比带宽3.2 测试结果经过优化仿真，天线几何尺寸参数为L1=14mm，L2=11.5mm，L3=8.7mm，w1=2.2mm，w2=4.2mm，w3=1mm。 S11频响特性如图9所示， DGS和无DGS二次谐波的仿真值分别为-2dB和-17dB，有DGS二次谐波的测试值为-4dB。由于DGS对加工尺寸较敏感，从而导致了测试误差。S11-15dB带宽为160MHz，S参数基本和仿真结果一致。5.8GHz频率点的H面方向图如图9所示，波瓣前后比为-13dB，方向图比较吻合。图8 轴比和增益仿真图图9 S11仿真与实测图10 H面仿真与实测4 结论本文设计了一种易于有源集成的圆极化微带天线，具有谐波抑制功能。轴比小于3dB的带宽和增益的仿真值分别为85MHz和7.0dBi。通过实际测量，该天线在中心频率的回波损耗低于-27 dB，且能将二次谐波的回波损耗抑制到-4dB以内。S11-15dB带宽为160MHz。方向图的实际测量值与仿真结果基本保持一致，波瓣前后比为-13dB。参 考 文 献1J.I. Park, C.S. Kim, J.Kim, et al., Modeling of a photonic bandgap and its application for the low-pass filter design, in Asia-Pacific Microwave Conf., 1999, PP: 331-334.2Y. Sung, M. Kim, and Y. Kim, “Harmonics reduction with defected ground structure for a microstrip patch antenna,” IEEE Antennas WirelessPropag. Lett., vol. 2, no. 8, pp. 111113, Aug. 2003.3D. Ahn, J. S. Park, C. S. Kim, Y. Qian, and T. Itoh, “A design of thelow-pass filter using the novel microstrip defected ground structure,”IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 49, pp. 8693, Jan. 2001.4J. S. Lim, S.W. Lee, C. S. Kim, J. S. Park, D. Ahn, and S. Nam, “A 4:1unequal Wilkinson p