HFSS天线论 2009天线年会论 1-6

双极化混合馈电微带贴片天线安婷婷1 张文梅1(山西大学物理电子工程学院，太原 030006)1摘 要：提出了一种新型的双极化混合馈电微带贴片天线，天线采用探针馈电与孔径耦合馈电相结合的混合馈电方式，结合“T”型馈线提高了端口隔离度，“Hour glass”形的槽改善了输入端口的阻抗特性。用商业软件Designer(SV)对天线的电特性进行仿真优化，天线的谐振频率为2.40GHz，端口1和2的反射损耗分别为-26.97dB和-25.45dB，端口隔离度为-22.28dB。关键词：双极化，混合馈电，微带贴片天线A Dual-polarized Microstrip Patch Antenna Fed by Hybrid StructureAn tingting1 Zhang wenmei1(College of Physics and Electronics Engineering, Shanxi University of China, Taiyuan 030006)1Abstract: A new dual-polarized microstrip patch antenna fed by hybrid structure is presented. In order to improve isolation between two ports, hybrid feed (probe feed and aperture coupled feed) and “T” shaped microstrip line are used. The “Hour glass” shaped slot can improve the input impedance. The parameters of the antenna are calculated by Ansoft Designer (SV) simulation. The center frequency of the antenna is 2.40 GHz, the return loss for port 1 is -26.97 dB, and -25.45 dB for port 2, and the isolation between two ports is -22.28 dB.Keywords: Dual-polarized; Hybrid feed; Microstrip patch antenna41 引言近年来，随着无线通信系统用户的迅猛增长，通信信息容量需求的不断增大，能有效解决多径衰落问题的分集天线得到了广泛应用。而分集技术中的双极化技术是无线通信领域十分重要的技术，它可用来实现极化分集和极化复用，其中极化分集是解决无线信道多径衰落的有效方法，而极化复用则可以更加有效地利用有限的频谱资源。双极化天线能够互不干扰地发送或接收两种极化波，从而实现频谱复用。到目前为止，双极化微带天线在国内外都有很大发展。文献1-3提出了孔径耦合馈电的双极化天线，其中1采用在贴片中心开十字槽来实现双极化，2采取开两个偏移中心的互相垂直的耦合槽来实现双极化，而3采用直线槽和C形槽来实现双极化。文献4-5提出的双极化天线采用混合馈电的方式，4采用探针馈电与微带线馈电相结合的馈电方式，5采用电容耦合馈电与孔径耦合馈电相结合的馈电方式，极大提高了端口隔离度。 基金项目：国家自然科学基金项目(60771052)；国家博士后基金特别资助(200801424)；山西省自然科学基金项目(2006011029)；太原市科技项目(0703004)本文提出了一种新型的双极化混合馈电微带贴片天线，该天线采用探针馈电与孔径耦合馈电相结合的混合馈电方式，结合“T”型馈线提高了端口隔离度，“Hour glass”形的槽改善了输入端口的阻抗特性。天线的谐振频率为2.40GHz，端口1和2的反射损耗分别为-26.97dB和-25.45dB，3dB相对带宽分别为2.50%，端口隔离度为-22.28dB，天线最大增益为3.865dBi。该天线保持了孔径耦合贴片天线的优势，同时馈电同轴线垂直贴片，电缆占用空间小，是一种具有实用价值的双极化分集天线。2 天线设计双极化混合馈电微带贴片天线的结构如图1所示，其中(a)为天线俯视图，(b)为天线侧视图。(a) 俯视图(b) 侧视图图1 天线结构图天线由两层介质板构成，矩形辐射贴片蚀刻在第一层介质板的顶部，接地板和馈线分别位于下层介质板的上、下两侧。一个“Hour glass”形的槽开在地板上，它可改善输入端口的阻抗特性。馈线采用“T”型50W微带开路线。两层介质板均采用相对介电常数r=3.38，厚度h=0.762mm的Rogers材料。天线采用两种方式激励，即垂直极化端口(port 1)采用探针馈电，水平极化端口(port 2)采用孔径耦合馈电。混合馈电以及“T”型馈线都会提高端口隔离度。双极化混合馈电微带贴片天线尺寸以及50W匹配馈电位置(x1,y1)的计算由公式(1)-(6)给出6。结合孔径耦合的特点，下文分析了“T”型馈线对两端口隔离度的影响，及馈线参数w1、“Hour glass”形槽的宽w3、长l3对天线性能的影响。 （1） （2）其中， （3） （4） （5） （6）图2对比了“T”型馈线和普通微带馈线对天线隔离度的影响。即参数w1分别为5mm与2mm，保持其他参数值固定，分别为a=32mm，b=32.4mm，l1=37mm，l2=7mm，l3=8mm，w2=2mm，w3=5mm，w4=1mm，w5=0.5mm，w6=0.5mm。由图可以看出，天线采用“T”型馈线后，隔离度增加约10dB。“T”型馈线主要影响孔径耦合端口的特性，对探针馈电端口特性影响不大。馈线参数w1变化对端口2特性影响如图3所示，随着w1的增加，谐振频率稍有增加，反射损耗逐渐变差。“Hour glass”形槽的宽w3、长l3与两端口谐振频率关系如图4、5所示。如图4、5所示。图4中参数w3变化时，其他参数为a=32mm，b=32.4mm，l1=37mm，l2=7mm，l3=8mm，w1=5mm，w2=2mm，w4=1mm，w5=0.5mm，w6=0.5mm。图5中保持参数a=32mm，b=32.4mm，l1=37mm，l2=7mm，w1=5mm，w2=2mm，w3=5mm，w4=1mm，w5=0.5mm，w6=0.5mm不变，改变参数l3。由图4、5可以看出，槽宽w3变化对端口1的谐振频率影响较大，而长l3变化对端口2的谐振频率影响较大。随着w3的增加，端口1的谐振频率呈直线下降，端口2的谐振频率稍有减小。与w3对两端口谐振频率影响的变化相反，随着l3的增加，端口2的谐振频率呈直线下降，端口1的谐振频率稍有减小，当l3大于8mm时谐振频率基本不变。图2 两种馈线对隔离度的影响图3 w1对端口2特性的影响图4 w3与两端口谐振频率关系图图5 l3与两端口谐振频率关系图3 仿真结果及分析利用商业软件Designer(SV)对双极化混合馈电微带贴片天线进行电磁仿真和优化，优化后的天线尺寸为：a=32mm，b=32.4mm，l1=37mm，l2=7mm，l3=8mm，w1=5mm，w2=2mm，w3=5mm，w4=1mm，w5=0.5mm，w6=0.5mm。天线的S参数、辐射特性、增益如图68所示。图6 仿真的天线S参数天线的S参数曲线仿真结果如图6所示。由图可知天线谐振频率为2.40GHz，端口1和2的反射损耗分别为-26.97dB和-25.45dB，3dB相对带宽为2.50%，两端口隔离度为-22.28dB。图7分别给出了天线在频率为2.40GHz时端口1和端口2在E面、H面的辐射方向图。从图中可见，天线背面辐射较小。因为孔径耦合馈电具有较好的交叉极化特性，所以天线端口2的交叉极化较端口1好。天线增益如图8所示，天线最大增益为3.865dBi。(a) 端口1(b) 端口2图7 天线辐射方向图(Co-pol. (E-plane) Cross-pol. (E-plane) p Co-pol. (H-plane) + Cross-pol. (H-plane)图8 天线增益4 结论本文提出了一种新型双极化混合馈电微带贴片天线，采用探针馈电与孔径耦合馈电相结合的混合馈电方式，具有良好的反射损耗、端口隔离度、辐射特性和增益。本文提出的这种分集天线设计结构简单，参数易调节，独立性强，制作简单，性能良好，可以很好的满足新一代移动通信系统及宽带无线局域网(WLAN)的应用需求。参 考 文 献1M. Barba, A high-isolation, wideband and dual-linear polarization patch antenna, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 20082S.C. Gao, L.W. Li, P. Gardner and P.S. Hall, Dual-polarized wideband microstrip antenna, Electronics Letters, 20073S. K. Padhi, N. C. Karmakar, C. L. Law and S. Aditya, A dual polarized aperture coupled circular patch antenna using a C-shaped coupling slot, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 20034Y. J. Kim, W. Yun and Y.J. Yoon, Dual-frequency and dual-polarization wideband microstrip antenna, Electronics Letters, 19995K. L. Wong, T. W. Chiou, Broad-band dual-polarized patch antennas fed by capacitively coupled feed and slot-coupled feed, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 20026Y. P. Zhang, Design and experiment on differentially-driven microstrip antennas, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2007作者简介：安婷婷，女，硕士，主要研究领域为射频与微波通信等。张文梅，女，教授、博士生导师，IEEE会员，主要研究领域为电磁场与微波技术等。一种新型的树状结构宽频带天线刘 楠 王安国(天津大学电子信息工程学院，天津 300072)摘 要：本文提出了一种新型的树状结构宽频带天线。此天线拥有体积小、剖面低、重量轻等优点。采用全波电磁仿真软件对该天线进行了仿真。从仿真结果可以看出，该天线相对于中心频率5.2GHz，相对带宽达到43.7%（4.04GHz6.31GHz），能有效覆盖802.11a工作频段，可用于无线局域网等场合。本文还对影响天线性能的一些主要结构参数进行了分析研究，分析结果对此类天线的设计非常有用。关键词：宽频带，树状，平面天线A Novel Tree-Shaped Wideband Antenna Liu Nan Wang An-guo(School of Electronic Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)Abstract: In this paper, a novel tree-shaped wideband antenna is proposed. It has a lot of merits, such as small size, low-profile and light weight. The proposed antenna is simulated by the full-wave electromagnetic simulator. From the result of the simulation, it is known that its input impedance bandwidth is 43.7% (4.04GHz-6.31GHz) with respect to the center frequency of 5.2GHz. It can effectively cover the 802.11a band, and it will be a good solution for some fields, such as WLAN. This paper also studied the primary parameters that influence the performance of the proposed antenna. The results of analysis will be very useful for the design of this kind of antenna.Keywords: wideband; tree-shaped; planar antenna81 引言随着无线通信、微波集成技术的飞速发展，对低剖面天线，特别是微带天线的需求日益迫切。虽然微带天线已经出现了50余年，但直到近20余年国际上才对其进行了广泛的研究与应用1, 2。微带天线具有体积小、总量轻、低剖面、能与载体共型等优点3，但其最大的缺点就是频带过窄，仅有大概5%。近年来有很多种技术用来提高微带天线的带宽，如L型探针技术4 、U型槽加载或环槽加载技术5, 6 、多层结构7。 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助(973计划)（2007CB310605）基于上述研究背景，本文提出了一种新型的树状结构宽频带天线。其制作在一个小的介质板上（30mm30mm），满足现代无线通信系统中对天线体积的要求。通过用电磁仿真软件进行仿真，天线的带宽从4.04GHz到6.31GHz，相对于中心频率5.2GHz, 天线的相对带宽达到43.7%，能辐射类似偶极子的方向图。其能够有效覆盖IEEE802.11a与HIPERLAN/2频段(56GHz)。对比前面提到的天线4, 5, 6, 7，此天线拥有简单的结构和较大的带宽。2 天线结构提出的天线结构如图1所示，其制作在相对介电常数为4.4，厚度为0.8mm的FR4介质板上（LsubWsub），为了提高天线的带宽，背面采用部分地结构（LgWsub）。天线的正面由三个等腰直角三角型层叠而成，所以直观上看天线是由两个等腰梯形和一个等腰直角三角形组成，其中L1+6=L2，L2+8=L3，W2+4=W1。天线贴片的终端与50W微带线（LfWf）相连接用以馈电。图1 天线的结构示意图用电磁仿真软件优化得到的天线参数见表1。表1 天线具体的参数天线参数尺寸(mm)Wsub30W17.8W31.5Wf1.4L13Lf12Lg10.5Lsub303 仿真与分析如图2所示为天线的回波损耗仿真结果。通过调整W1，L1，Lg可使天线的带宽达到最大。仿真结果表明，天线在4.046.31GHz的范围内回波损耗低于-10dB，在5.68GHz回波损耗小于-30dB。图3为L1变化时，而其他参数保持恒定时，天线的回波损耗对比图。当L1变化时(L2 ,L3也相应变化)，其影响天线的带宽与匹配性能。由图可知，当L1=3mm时，带宽与匹配达到最优。图4为W1变化时（W2也相应变化），天线的回波损耗对比图。当W1=7.8mm时，天线的带宽与匹配达到最优，且能在5GHz6GHz内回波损耗达到最小。当Lg变化时，天线的回波损耗变化显示在图5中。由图可知，Lg极大的影响带宽与匹配性能，所以设计此天线时应充分考虑Lg对天线性能的影响。本设计中Lg取10.5mm。图2 天线的回波损耗仿真结果图3 L1变化时天线的回波损耗图4 W1变化时天线的回波损耗图6为天线在低频4.04GHz，中频5.2GHz，高频6.31GHz的方向图。由图可知天线能辐射类似偶极子的方向图，且不随频率改变而发生明显改变。图7为天线在工作频带内的增益图，增益最大为2.34dBi，最小1.51dBi。图5 Lg变化时天线的回波损耗(a)(b)(c)图6 天线在4.04GHz(a)5.2GHz(b)6.31(c)的E面和H面方向图图7 天线增益的仿真结果4 结论本文提出了一种新型的树状结构宽频带天线，通过调整参数，天线可工作与4.04GHz6.31GHz，相对带宽可达到43.7%，5.68GHz回波损耗小于-30dB。其能在工作频带内辐射类似于偶极子的方向图。且其尺寸较小（30mm30mm0.8mm），可以应用于对天线尺寸有严格要求的无线通信系统。参 考 文 献1Weng Chew. A broad-band annular-ring microstrip antenna. IEEE Trans on Antennas and Propagation, , 1982,30(5):918-922. 2Bhatnagar P S, Daniel J-P, Mahdjoub K, Terret C. IEEE Electronics Letters, 1986,22: 864-865.3张钧. 微带天线理论与工程. 北京: 国防工业出版社, 1988.