HFSS天线论 2009天线年会论 3-4

一种应用于方向回溯阵的双极化微带天线周 军 郭玉春(江南电子通信研究所，浙江嘉兴314033)摘 要：本文设计了一种应用于方向回溯天线阵的口径耦合双极化微带天线，该天线的两个馈电端口分别采用了H型口径耦合和容性加载H型口径耦合，提高了双端口隔离度。实测结果表明天线双极化端口的阻抗带宽（VSWR2）达40 %，增益达到8 dB以上，端口隔离度大于33 dB，基本与仿真结果一致，该天线可被广泛应用于方向回溯天线阵系统中。关键词：双极化微带天线，H型口径耦合，方向回溯阵，隔离度A Dual-polarized Microstrip Antenna for the Retrodirective ArrayZhou Jun Guo Yuchun(JiangNan Electronic Communication Research Institute, Jiaxing, Zhejiang 314033, China)Abstract: In this paper, a dual-polarized aperture-coupled microstrip antenna for the retrodirective antenna array application is presented. The H-shaped aperture-coupled feed structure is used to improve the two-ports isolation. The measured results show that the impedance bandwidth (VSWR 2) achieve 40% . the antenna gain is more than 8 dB, and the isolation is better than 33 dB in the operating frequency ranges. It show good agreement with the simulation results. The dual-polarized aperture-coupled microstrip antenna can be widely used in the retrodirective antenna array.Keywords: Dual-polarized Microstrip Antenna; H-shaped slot; retrodirective array；Isolation91 引言无线通信系统的发展不断地促进了天线技术的发展，性能优良的天线将会大大提高通信系统的整体性能。基于相位共轭技术而提出的方向回溯天线是一种新型的波束自动跟踪天线1-3，由于该天线能自动发射来波的响应信号到来波方向实现通信链路的自动优化，而不需要来波信号的先验知识和复杂的数字信号处理算法，这一特点使得其在通信、射频识别、共形天线、功率传输等领域中有着广阔的应用前景2-4。在方向回溯实现过程中，为减少天线阵元数目，实现收发隔离，方向回溯天线阵常采用高隔离度的双极化微带天线4-6。双极化微带天线自身具有频率复用、收发一体化、极化分集等特点，若将成对的正交极化端口分别用作接收端口和发射端口，实现收发隔离，可大大降低方向回溯天线的成本，提高天线系统本身的性能。双极化天线馈电结构形式多种多样7, 8，一般有微带馈电、同轴馈电、电磁口径耦合馈电和混合馈电等四种，前两种馈电方式端口隔离度较差；后两种馈电方式可实现高隔离度，极化纯度较高等优点。应用最广的是通过采用双层或者多层的口径耦合馈电结构来实现高隔离度双极化天线，当前许多学者都采用这种馈电形式实现双极化9。本文设计了工作于C波段的宽带高增益双极化天线作为方向回溯天线阵的单元天线。为提高天线工作带宽和两端口之间的隔离度，天线两个端口分别采用了耦合较强的H型口径耦合和电容加载的H型相结合的口径耦合馈电结构。Ansoft HFSS电磁仿真和实物测试结果表明，天线在VSWR2的情况下，天线工作带宽达20%，端口隔离度大于33 dB，增益大于8 dB。仿真和测试结果吻合较好。2 天线设计口径耦合微带天线是一个复杂的多层介质电磁耦合结构，通过把贴片印制在天线基片上，然后置放在刻蚀有微带馈线的馈源基片上。二者之间有一条矩形缝隙的金属底板。影响该天线性能的参数比较多，如辐射贴片的形状、缝隙的大小和位置、介电常数等。缝隙的形状和位置决定着馈线与单元贴片之间的耦合强弱，选择一种缝隙使耦合最强，同时要求背向辐射尽可能的少，本文采用耦合较强相对简单的H型口径耦合10，如图1所示为单端口H型口径耦合馈电结构的几何结构关系。双端口则采用两个相同的H型垂直放置。图1 天线几何结构图2分别给出了H型口径耦合微带天线和口径耦合馈电的等效电路8, 11。结合图1所示等效电路，天线的输入阻抗可表达为： （1）式中，为开路微带线特性阻抗和波数，为贴片在馈电点呈现的输入阻抗，为H型口径在馈电点的导纳，图2和式(1)中各参数表达式见文献8。调节槽线和开路线的长度，使天线匹配。图2 H型口径耦合天线及馈电等效电路对于基片上的辐射贴片，其输入导纳由传输线模型可计算得出8。长度为的槽线分为两个相同的长度为的短路槽线，槽线的特性阻抗和传播参数可以采用Cohn方法计算12。是电抗加载，经过长度为的阻抗变换，可获得口径导纳为：（2）根据上述表达式可以计算出天线初始数据，通过电磁仿真优化可获得最终结构参数值。由于相互垂直的两个H型槽线占有较大的面积，增加了天线尺寸，所以一个端口(V-Port)采用H型槽线，另外一个端口（H-Port）在H型槽的基础上改进为电容加载H型槽，即将H型开槽两臂弯折，从而增加开槽臂长度，提高端口隔离度。通过调整两个馈电槽线和辐射贴片的尺寸长度，可改善输入端口的阻抗特性，实现辐射贴片的宽频谐振。设计工作于C波段4.45GHz的双极化微带天线，增益要求8dB，VSWR2。仿真模型如图3所示。图3 天线仿真模型3 结果和分析通过HFSS优化设计,确定天线结构参数分别为：L=18mm，W=19mm，=7.8mm，=7.5mm，=4.46mm，h=2mm，上层介质相对介电常数为=4.4，下层介质基板相对介电常数=2.65，贴片离馈线地板6mm，反射板大小为50mm，电容加载长度为2.8mm，加工实物如图4所示。图4 天线实物采用Agilent N5230A矢量网络分析仪进行实际测试。图5给出了天线的测试和仿真回波损耗和隔离度曲线。在VSWR2（）的情况下，相对阻抗带宽H端口达到38.9%（3.995.92GHz），V端口达到42.5 %（3.55.39GHz），在3.555.4GHz频带内双端口隔离度最大达到60dB，最小为33dB。从图可以看出实测结果要优于仿真结果，但趋势基本一致，这可能由于介电常数和结构尺寸误差引起的。图5 测试回波损耗和隔离度天线增益和中心频率的E面和H面方向图如图6和图7所示。从图可以看出在工作频带(4.4-5GHz)内，天线增益都大于8 dB，前后比大于17dB。方向图半功率波瓣宽度E面和H面大约分别为69.56度和77.28度。基本上满足方向回溯天线系统对天线单元的要求指标。图6 天线增益(a) H端口(b) V端口图7 中心频率测试方向图4 结论本文设计了工作与C波段的方向回溯天线阵单元。为提高双极化端口之间的隔离度，设计采用H型口径耦合馈电结构，改进H型耦合槽为电容加载H形槽，提高了两端口隔离度。实测结果和仿真结果基本一致。实测表明，该天线阻抗带宽约40%，天线增益达8 dB以上，双极化端口隔离度大于33 dB，可用于方向回溯天线阵单元，实现收发隔离，减少方向回溯天线阵元数目。参 考 文 献1Y.C.Guo,X.W.Shi,L.Chen. Retrodirective Array TechnologyJ. Progress In Electromagnetics Research B, 2008(5): 153-67.2Shiroma, W. A., Miyamoto, R. Y., Shiroma, G. S.,et al. Progress in retrodirective arrays for wireless communicationsJ. IEEE Topical Conference onWireless Communication Technology, 2003: 80-81.3Leong, K. M. K. H.,Miyamoto, R. Y.,Itoh, T. Moving forward in retrodirective antenna arraysJ. IEEE Potentials, 2003, 22(3): 16-21.4Goshi, D. S.,Leong, K. M. K. H.,Itoh, T. Recent advances in retrodirective system technologyC. IEEE Radio and Wireless Symposium, 2006: 459-62.5Wang, B.-Z., Wu, W., Yu, C.,et al. A compact retrodirective wire antenna with two isolated portsC. IEEE AP-S International Symposium, 2003, 1: 316-19.6Ka Wai, W.,Leung, C.,Quan, X. A 2-D Van Atta Array Using Star-Shaped Antenna ElementsJ. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2007, 55(4): 1204-06.7梁仙灵. 双极化微带天线阵与超宽带、多频段印刷天线D. 上海, 2007.8钟顺时. 微带天线理论与应用M. 西安: 西安电子科技大学, 1991.9Balanis, C. A. Modern Antenna Handbook M. John Wiley & Sons, Incorporated, 2008.10Wong, K. L. Compact and Broadband Microstrip AntennasM. New York: Wiley, 2002.11Garg.R. Microstrip antenna design handbookM. Boston: Artech House, 2001.12Himdi, M.,Daniel, J. P. Characteristics of sandwich slot lines in front of parallel metallic stripJ. Electronics Letters, 1991, 27(5): 455-57.作者简介：周军，男，高级工程师，主要研究领域主要研究方向为有源天线、天线宽带匹配电路、射频前端等。郭玉春，男，博士，主要研究领域现代天线系统理论与工程、射频/微波电路设计、新型电磁材料等。相位中心确定双频GPS天线的研制焦 磊 张福顺 吴 强 薛 欣 冯昕罡(西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，陕西 西安 710071)摘 要：本文研制了相位中心确定的双频GPS天线。文中天线采用ansoft HFSS 软件仿真设计。工作在GPS的L1和L2波段，采用双层微带天线和多级Wilkinson功分移相馈电网络的结构。测量结果表明天线在要求的波束范围内实现双频右旋圆极化，且天线的相位中心稳定度小于2mm。进而说明了该方法是有效可行的。关键词：GPS微带天线，相位中心，Wilkinson功分移相器，实验样机Design of Exclusive Phase center Dual band GPS AntennaJiao Lei Zhang Fushun Wu Qiang Xue Xin Feng Xingang(National Laboratory of Antenna and Microwave Technology, Xidian University, Xian Shanxi, 710071,China)Abstract: This paper describes the design and testing of a dual band microstrip antenna which has exclusive phase center.The antenna is desighed by software HFSS，and it operates at both the L1 and L2 frequencies.It applies dual layer microstip and Wilkinson power divider structure. The experiment antenna is made and electric indexes are measured. The measurements are presented, which shows that right hand circular polarization is achieved at both frequencies and the stability of the phase center is smaller than 1mm. so that it shows this method is effective.Keywords: Microstrip antenna Phase center Wilkinson power divider Experiment antenna1 引言全球定位系统(Global Positioning System),GPS是美国国防部为陆、海、空三军研制的新一代卫星导航定位系统,广泛应用于导航、测绘、监测、授时、通信等多种领域。近年来,GPS系统在民用领域迅猛发展,特别是在车辆导航和手机定位等方面潜力巨大。为了适应GPS应用需求,天线是必须解决的关键问题之一。1根据GPS定位原理及其卫星信号特征,为实现接收机快速、连续、精确定位,对GPS天线提出了很高的要求。虽然目前GPS天线技术已经趋于成熟,但它仍旧是制约接收机性能的瓶颈,是设计中主要考虑的因素。为满足当前各种便携式、多功能接收机的需求,人们对GPS天线的小型化、多频段、抗干扰、圆极化等技术进行了不断的研究。其中，相位中心稳定性是高精度测量定位GPS天线需要考虑的一个重要问题。在GPS测量中,观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的,而天线的相位中心与其几何中心,在理论上应保持一致。可是实际上天线的相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化,即观测时相位中心的瞬时位置（一般称相位中心）与理论上的相位中心将有所不同,这种差别叫天线相位中心的位置偏差。这种偏差的影响,可达数毫米至数厘米,这将对高精度的GPS测量产生很大影响,因此如何减少相位中心的偏移是天线设计中的一个重要问题。2 微带天线设计微带天线作为一维小型化天线,以其低轮廓、可共形、易集成等颇具特色的优点近年来在天线开发应用中独占鳌头。其中圆极化微带天线又具有举足轻重的意义。1.圆极化天线可接收任意极化的来波,且其辐射波也可由任意极化天线收到;2.圆极化波入射到对称目标(如平面、球面等)时旋向逆转,因此圆极化天线常应用于GPS天线2。如果天线辐射的电磁波为球面波,那么球心即为天线的相位中心。一个天线存不存在相位中心完全取决于天线的形式。即使存在相位中心的天线,一般也只是在主瓣一定范围内存在一个视在相位中心。天线的相位中心稳定度是表征天线各个切面相位中心离散程度的量,是包含天线各个切面相位中心点的球体的最小半径。天线的相位中心稳定度与天线的形式和馈电方式相关,一般来说,天线的对称性越好馈电点数目越多,馈电点越对称,其相位中心的稳定度越高。本文介绍的天线采用了两层双频八馈电点微带天线的结构，对称性好,从设计上保证了天线的相位中心的稳定性3，4。2.1 贴片的设计微带天线结构如图1所示，矩形微带天线尺寸公式： （1） （2） （3） （4）图1 微带天线结构2.2 功分移相网络馈电网络采用Wilkinson功分器馈电；移相器采用普通微带传输线。如图2所示。通过设计一个多级Wilkinson功分移相网络，使功分移相网络终端得到4个等幅，相位各相差/2的电场。图2 单级Wilkinson功分移相器3 天线性能仿真测试本文采用ansoft HFSS 软件通过设定边界条件模拟天线环境，对天线进行仿真调试。与传统设计相比,天线在结构上固有的对称性及馈电方式的对称性有利于改善天线相位中心稳定性。四点均匀馈电,通过增加镜像馈电来提高相位方向图的周向对称性。对相位方向图的周向对称性有了极大的改善,保证了相位中心的稳定。制作的实物天线样机使用厚度3mm，介电常数=2.65的介质基片。天线为两层贴片实现双频右旋圆极化，其中每层贴片用一个多级Wilkinson功分移相网络馈电。贴片与功分移相网络分离，相隔一个