宽缝结构超宽带天线的设计.doc

宽缝结构超宽带天线的设计毛胤电陈董(南京邮电大学 ,江苏 南京 210003)摘 要 :提出一种宽缝结构超宽带天线的改进设计方案 ,该天线的宽缝设计为半圆形 ,馈电微带线的终端设计 为六边形 ,微带线的特性阻抗设计为 75 欧姆 。通过数值仿真和实验测量对天线的阻抗特性 、方向图和增益进行了 研究 。实测结果表明 ,该天线工作频段覆盖 1 . 96 GHz15 . 4 GHz ,工作频段内驻波比小于 2 ,并且在整个工作频段 内具有良好的辐射方向特性 。关键词 :超宽带 ;微带天线 ;宽缝隙天线 ;特性阻抗中图分类号 : TN823文献标识码 :A形缝 ,用一个六边形作为其馈电结构 ,同时将常规的 50 的馈线改为 75 ,从而获得了良好的阻抗匹配 ,且天线尺寸进 一步的缩小 。通过数值计算和实验测量 ,充分研究了这种天线的工作性 能 。结 果 表 明 , 该 天 线 工 作 频 带 为 1 . 96 GHz15 . 4 GHz ,带宽百分比为 154 % 。同时在整个工作频带范围 内具有比较好的全向辐射特性 ,因此是一种具有实用价值的 超宽带天线 。1 天线结构与性能分析0引言微带缝隙天线因其结构简单 、便于排阵等优点在雷达与 通信系统中有着广泛的应用 。通常按照缝宽电尺寸的大小 , 缝隙天线可以分为窄缝和宽缝两种结构 。由于缝隙本身电 抗的影响 ,通常窄缝天线的阻抗带宽比较窄 ,而采用宽缝结 构则可以获得较宽的工作带宽 。目前关于宽缝天线的设计 问题已有许多文章作过深入的分析研究 ,如文献1 中设计的 正方形宽缝天线 ,作者将水平放置的正方形槽绕中心旋转一 定的角度以激励起基模附近的其它模的工作 ,从而将带宽展 宽到 55 . 8 % ;文献2 中则提出了一种 T 形馈电结构 ,又将矩 形宽缝天线的阻抗带宽拓展到 58 % ; 进一步将 T 形馈电结 构改为十 字 形3 、U 形4 或 形5 馈 电 , 而 宽 缝 结 构 仍 为 矩 形 ,通过调节纵向枝节与横向枝节的长度可以实现更宽的阻 抗匹配带宽 。最近 ,又有作者保持 U 形馈电结构不变 ,而将 宽缝由矩形变为圆形和椭圆形 ,分别获得了 100 %及 120 % 的带宽6 。综合这些工作我们可以发现 ,这些改进技术可归 纳为以下两种 :改变馈电结构 ( 如 T 形 、十字形 、U 形或 形 等) ;改变宽缝形状 (包括矩形缝 、圆形缝 、椭圆缝等以及将矩 形缝旋转或者将矩形缝的直角改为圆角等) 。文献7 中指出 ,改变馈电结构与宽缝结构的形状可以改 变相互之间的耦合 ,从而调节阻抗匹配 。那么通过搭配相似 的馈电结构和宽缝结构就可以得到较宽的带宽 。文中设计 的三角形 宽 缝 与 三 角 形 馈 电 结 构 搭 配 的 天 线 的 带 宽 达 到110 % ,而半圆形宽缝与矩形馈电结构搭配的天线的带宽达 到 120 % 。但是上述两种结构的天线尺寸都相对较大 ,这就 限制了其在便携式通信设备中的应用 。因此在实现工作带 宽的同时如何缩小天线尺寸成为天线设计必须考虑的问题 。 文献8 将半圆形宽缝与圆形馈电结构搭配设计了一种带宽 达 150 %的超宽带天线 ,同时其尺寸较7 小得多 。本文设计了文献8 中天线结构的改进型天线 。该天线 类似于常规的微带宽缝天线 ,不过将常规的矩形缝改为半圆图 1 天线的物理结构本文所设计的宽缝天线的结构如图 1 所示 ,该天线的宽 缝由一个矩形和一个半圆形组成 , 其馈电结 构 为 一 个 六 边 形 。其中 ,该天线结构的一个主要特点就是 ,馈线的特性阻 抗被设置为 75 ,而不是常规的 50。但由于大部分的馈电 系统的特性阻抗都是 50 ,所以我们使用了一段特性阻抗从50 到 75 的渐变馈线与六边形相连接 。仿真与实测均证 实 ,采用这样一段渐变馈线 ,对实现天线阻抗的良好匹配是很有价值的 。2实验测量在前面仿真基础上 ,我们选择不同的尺寸加工多个样品 进行实验研究 ,最终确定了该天线的尺寸 。该天线制作在相 对介电常数为 2. 65 ,厚度为 1mm 的介质基片上 ,其整个边框 尺寸通过仿真软件最终确定为 47mm 48mm。图 1 中所示的收稿日期 :2006 - 12 - 14 第一作者 毛胤电 男 25 岁 硕士研究生明7天线其它相关参数的尺寸如下 :L = 42mm , W = 24. 6mm , h0 =16. 5mm ,h1 = 5mm ,h2 = 7 . 5mm ,g = 0 . 4mm ,c = 1 . 4mm , s =9 . 1mm ,d = 12mm 。馈线的特性阻抗被设置为 75 ,通过一 段长度为9 . 1mm 的渐变微带线与特性阻抗为 50 的馈线相连 。我们用矢量网络分析仪 HP8720 E T 测量了天线的输入阻抗 ,其结果如图 2 所示 。从中可以看到 ,该天线的阻抗带 宽高达 154 % (1 . 96 GHz 15 . 4 GHz) , 已经完全覆盖了超宽 带天线的工作频段 3 . 1 GHz10 . 6 GHz 。,宽缝边沿电流的流动将增大 H 面的交叉极化电平 ,并导致 E 面的主波束偏离最大方向 。因此阻抗带宽还不足以说明天线的实际带宽 ,还必须对天线不同频率下的方向性图 进行测试才能最终确定天线的工作带宽 。方向图的测量是 在微波暗室中进行的 。图 4 分别给出了天线在 2 . 6 、6 、9 和10 . 5 GHz 频点上的 E 面 ( y - z) 和 H 面 ( x - z) 的方向图以及 交叉极化特性 。可见正如以上所表述的那样 ,随着频率的增大 , H 面的交叉极化逐渐恶化 , E 面的主波束偏离最大方向 。在测量远区辐射特性的基础上 ,利用标准喇叭天线可以测量出天线的增益如图 3 所示 。可见该天线的增益在3 . 1 GHz10 . 6 GHz 的超宽带工作频段内起伏变化不是特别的大 ,大概 在 4 . 5dB 以内 。图 2 天线回波损耗实测值宽缝天线具有阻抗带宽相对较宽的特性 ,但是其工作带 宽却受限于其方向图带宽 。因为在阻抗带宽的高频段 ,容易 出现方向性图恶化的现象 。通过对不同宽缝结构的研究表图 3天线增益实测值a) H2pat tern ( 2 . 6 GHz)b) E2pat tern ( 2 . 6 GHz)c) H2pat tern ( 6 GHz)d) E2pat tern ( 6 GHz)e) H2pat tern ( 9 GHz)2 . 6 ,6 ,9 GHz 频点上的 H 面和 E 面的方向图及交叉极化特性f ) E2pat tern ( 9 GHz)图 4tennas and Propagatio n ,2005 ,53 (6) :2111 - 2114 .KIM M K , KIM K , SU H Y H. A T2shaped microst rip2 line2fed wide slot antenna A . I EEE Antennas and Pro pa2 gatio n Society Internatio nal Symposium , Salt L ake City C . Utah U SA ,2000 . 1500 - 1503 .J AN G Y W. Broadband cross2shaped microst rip2fed slotantennaJ . Elect ro nics L et ters , 2000 , 36 ( 25 ) : 2056 -2057 .J AN G Y W. Experimental st udy of large bandwidt h t hree2off set microst ripline2fed slot antenna J . I EEE Mi 2 crowave and Wireless Co mpo nent s L et ters ,2001 ,11 (10) :425 - 427 .Q IN G X M , CHIA M Y W , WU X H. Wide2slot anten2 na for U WB applicatio nsA . I EEE Antennas and Pro pa2 gatio n Society Internatio nal Symposium , Columbus C . Ohio U SA ,2003 . 834 - 837 .L I P C , L IAN G J X , CHEN X D. St udy of p rinted ellip23结论与分析通过合理搭配宽缝结构与馈电结构 ,在前人研究的基础 上改进设计了一种超宽带宽缝结构天线 。通过利用一段特 性阻抗由 75 到 50 的渐变馈线实现了阻抗的良好匹配 ,同 时增加了阻抗调配的自由度 。通过电磁仿真软件 I E3D 仿真 计算确定了天线的几何尺寸 ,在微波暗室中对天线实物的输 入端反射特性 、辐射方向图和增益进行了测量 。研究结果显 示该天 线 具 有 154 % 的 阻 抗 带 宽 , 在 超 宽 带 覆 盖 频 段 内 (3 . 1 GHz10 . 6 GHz) 有较好的辐射特性 ,同时该天线尺寸相 对较小 ( 47mm 48mm) , 具 有 便 于 电 路 集 成 的 平 面 印 刷 结 构 ,因此是一种性能较好 、具有实用价值的超宽带天线 。参考文献23451J AN J Y , SU J W. Bandwidt h enhancement of a p rintedwide2slot antenna wit h a rotated slot J . I EEE Trans An 26tical/ circular slot antennas for ult rawideband applicatio nsJ . I EEE Transactio ns Antennas and Propagatio n ,2006 ,54 (6) :1670 - 1675 .L IU Y F , L AU K L , XU E Q . Experimental st udied of p rinted wide2slot antenna for wide2band applicatio ns J .I EEE Antennas and Wireless Propagatio n L et ters ,2004 ,3(1) :273 - 275 .CHEN D , CHEN G C H , A novel ult ra2wideband mi2 crost rip2line fed wide2slot antenna J . Microwave and o p2 tical technology let ters ,2006 ,48 (4) :776 - 777 .87Design of Ultra2Wideban d Antenna with Wide2Sl otMao Yin2dian Chen Do ng( Com m u nicat ion an d I nf or m at ion En gi neeri n g I nst i t ute ,N anji ng U ni versi t y of Posts an d Telecom m u nicat ions , N anji n g J i an gs u 210003 , Chi n a)Abstract :An imp roved ult ra2wideband wide2slot antenna is p roposed. The design is half2circle for t he wide2slot of antenna ; t he terminal of t he microst rip2line is a hexago n patch , and t he characteristic impedance of t he microst rip2line is designed to be 75. Theantenna has been numerically and experimentally st udied for it s impedance bandwidt h , radiatio n pat terns and gains. The act ual result s show t hat t he p roposed antenna has a f requency band f ro m 1 . 96 to 15 . 4 GHz for voltage stand wave ratio ( V SWR) lower t han 2 . 0 . And a good radiatio n performance over t he entire f requency range may be achieved.Key words :ult ra2wideband ; microst rip antennas ; wide2slot antenna ; characteristic impedance(上接第 43 页)3 . 2 . 4 计量程序 传感器将车轮的转速转换成脉冲信号送到单片机的信号输入端 ,然后就通过程序进行计量 ,实现显示车资和里程 。 由于现实原因 ,我们采用手动脉冲输入 ,每个脉冲相当于汽车 行驶 300 米 ,计价器会根据具体选择的价位自动增加车资 。图 6 是计量程序的流程图 。4结论本设计利用 A T89C51 作为计价器的主控单元 ,使用全 双工串行口进行通信 ,其外接显示电路由 74L S614 和共阳极数码管构成 ,实现了扩展并行 I/ O 接口的功能 ,来实现单价 ,起步价 ,返程价 ,郊区价 ,夜间价 ,低速价 ,显示和修改时间等 功能 ,是一个低成本的出租车计价系统 。参考文献1丁元杰 . 单片微机原理与应用 M . 北京 : 机械工业出版社 ,2000 .周航慈 . 单片机应用程序设计技术 M . 北京 : 北京航 空航天大学出版社 ,1991 .赵茂泰 . 智能仪器原理及应用 M . 北京 : 电子工业出 版社 ,1999 .黄贤武 . 传感器原理与应用 M . 成都 : 电子科技大学 出版社 ,1999 .何立民 . MCS 51 系列单片机应用系统设计 M . 北 京 :北京航空航天大学出版社 ,1990 .2345图 6 计量程序流程图Sof t ware Design f or Ta xi Computat ion SystemSun Xiu2e Ye Zhe2jiang Qi Yo ng( Facul t y of I nf or m at ion an d A utom at ion , Ku n m i ng U ni versi t y of S cience an d Tech nology , Ku n m i n g Y u n n an 650051 , Chi n a)Abstract :Taxi co mp utatio n system is a kind of classic applicatio n of chip microp rocessors , which is co mposed of chip