一种高隔离度双极化微带天线的设计

一种高隔离度双极化微带天线的设计苏振华 尹应增 任学施 张 杰 乔 青（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：本文介绍了一种工作在Ku波段的高隔离度双极化微带天线，该天线采用邻近耦合和H槽缝隙耦合相结合的馈电方法实现了天线的双极化，双层反射地板的结构降低了天线方向图的后瓣。借助Ansoft 公司的HFSS仿真软件对该天线进行了仿真和优化，得到了较好的结构和指标参数。与常规的双极化微带天线结构相比，该天线具有高端口隔离度和低后瓣的特性。关键词：双极化；微带天线；隔离度Design of a Dual-polarization Microstrip Antenna Su Zhenhua Yin Yingzeng Ren Xueshi Zhang Jie Qiao Qing(Institute of Antennas and Electromagnetic Scattering，Xidian University, Xian 710071，China)Abstract: A high isolation dual-polarization microstrip antenna working at Ku-band is presented. This antenna is fed by methods of direct coupling and H-slot coupling to realize dual-polarization. Due to the double reflectors structure ,the antenna has a lower back-lobe. On basis of Ansoft HFSS software, this antenna is analyzed and optimized. Some good results are presented. Compared to conventional dual-polarization microstrip antenna, this antenna has better isolation and lower back-lobe characteristics.Keywords: dual-polarization ; microstrip antenna ; isolation1 引言微带天线由于具有体积小，重量轻，低剖面，易于加工以及与有源器件及电路集成等诸多有点，在通信，雷达等方面得到广泛的应用。另外，频谱资源日益紧张现代卫星通信领域迫切需要天线具有双极化功能，因为双极化可使它的通信容量增加一倍。双极化技术的应用通常要求低交叉极化电平和高隔离度。单层的双端口馈电隔离度一般只能达到-25dB左右1，多层馈电虽然结构稍微复杂，但是可以得到很高的隔离度。本文首先对三层介质板单层反射板的微带双极化天线进行了分析，其结果表明方向图的后瓣比较大。然后采用了四层介质板，在最下层的介质板下方加了一块反射地板，得出比较理想的结果，其端口隔离度低于-40dB，后瓣降低了4.85dB。2 微带双极化天线的研究2.1 天线的结构三层介质板微带天线结构如图1所示，其中（a）是立体的侧视图，（b）是俯视图。天线由三层介质板组成，辐射贴片蚀刻在最上层即第一层介质板的顶部。邻近耦合馈电微带线在第二层介质板的上面，第二层介质板和第三层介质板之间放置反射地板，H槽开在这反射地板上面，第三层介质板的下侧为通过H槽耦合馈电的微带线。三层介质板都采用介电常数为2.2的Rogers RT/duroid 5880(tm)材料，第一，二层厚度为0.381mm,第三层厚度为0.254mm，馈电采用50欧姆微带开路线。不同层馈电可以明显的增加隔离度，可以对H槽的尺寸进行调节，改善输入端口的阻抗特性。（a）立体侧视图（b）俯视图图1 天线结构图2.2 天线的仿真分析及优化利用电磁仿真软件HFSS对天线进行仿真和优化，以此来确定天线的结构尺寸。优化后的结构尺寸如表1所示。仿真得到的两个端口的S参数如图2，3所示，图2表明端口1的-10dB阻抗带宽为1GHz,从16.45GHz至17.45GHz，端口2的-10dB阻抗带宽为850MHz，从16.55至17.40GHz。从图3可以看出，天线表现了高隔离度的特性，其两端口的隔离度在频带范围内低于-40dB，在频点16.5GHz上达到-56dB。图4给出了天线在两个主极化方向x-z面和y-z面的方向图，从图中可以看出，天线具有良好的交叉极化特性，这也是天线馈电端口的高隔离特性决定的。该天线的各指标均良好，完全能满足工程的需要。表1 天线结构尺寸表（单位mm）符号LLaWWaWb尺寸5.223.410.410.75符号WsLbLsH尺寸0.21.61.61.8图2 天线的反射损耗图3 天线两端口的隔离度（a）x-z面的方向图（b）y-z面的方向图图4 双极化天线的方向图3 降低天线后瓣的研究很多介绍采用H槽耦合方式馈电的双极化微带天线的文献都没有考虑天线后瓣的问题4，工程上我们需要前后比要尽量大，由于H槽开在反射地板上，不可避免的产生比较强的后向辐射，因此，我们考虑在最下层再加一层介质板和反射地板，以此来减少后向辐射来降低天线的后瓣，所加介质板厚度为0.254mm。如图5所示，这样，H槽耦合馈电线就成了带状线馈电，其宽度变为0.42mm，根据需要，我们在馈电线上加了一个匹配枝节来达到端口的匹配。枝节的宽度和馈电线一致，主要调节它的长度来达到匹配。图5 加反射地板的天线结构图6是原来的天线和在最底层加了一层介质和一块反射地板后的天线增益方向图比较。结果表明，在不影响带宽和隔离度特性的前提下，这种方法降低了天线的后瓣，后向辐射从原来的-6.98dB降低到-11.83dB,降低了4.85dB。 图6 增益方向图4 结束语本文基于仿真计算设计出了一个工作于16.6GHz-17.4GHz的双极化微带天线单元。采用不同层馈电的方式来提高天线的隔离度。最后采用双层反射地板的方法增加了天线的前后比。参 考 文 献1L. J du To lt and J. H. Clo ste. dual po larized linearm icro st rip patch arrayC . IEEE,A P- S In t. Sym.D ig. , June, 1987: 810 813S2S.Gao, L.W.Li, M.S.Leong,and T.S.Yeo, A Broad-Band Dual-Polarized Microstrip Patch Antenna With Aperture Coupling. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. VOL.51.NO.4, APRIL 20033王泽美，孙从武，潘雪明，鄢泽洪. 一种Ku波段双线极化宽频微带天线. 空间电子技术，2006年增刊4肖疆，朱敏慧，王小青. 一种新型双极化口径耦合微带天线单元的研究. 微波学报，第22卷，第4期，2006年8月。5Dong-Hyuk Choi and Seong-Ook park, Dual-band and Dual-Polarization Patch Antenna With High Isolation Characteristic.6Luis Inclan-Sanchez, Jose-Luis Vazquez-Roy, and Eva Rajo-Iglesias, High Isolation Proximity Coupled Multilayer Patch Antenna for Dual-Frequency Operation. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. VOL.56.NO.4, APRIL 2008.7Steven(shichang) Gao and Alistair Sambell. Dual-Polarized Broad-Band Microstrip Antennas Fed by proximity coupling. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. VOL.53.NO.1, JANUARY 2005.一种新颖的单馈电宽带圆极化天线的设计李 萌 鄢泽洪(西安电子科技大学天线与电磁散射研究所，西安 710071)摘 要：本文提出了一种新颖的单馈电宽带圆极化天线，该天线是由敷在介质基板一侧的微带单极子辐射器，敷在基板另一侧的开有I型缝隙的地板以及馈线组成。馈线对单极子直接馈电，对地板上的缝隙耦合馈电，使得激励起两个幅度相等，相位相差90的正交模式，在约4GHz的中心频率处辐射圆极化波。结果表明，该天线的相对阻抗带宽和轴比带宽分别达到61.4%（2.65-5GHz）和41%（3.3-5GHz）。本文应用软件HFSS.11进行仿真和优化。关键词：宽带天线，单馈电，圆极化，单极子，轴比A Broadband Single-Feed Circularly Polarized AntennaLi Meng Yan Zehong(Institute of Antenna and EM Scattering, Xidian University of China, Xian 710071)Abstract: A novel broadband circularly polarized antenna with a single feed is presented. The antenna is composed of a ground plane with an I-shipped slot, a monopole radiator and a feed line straightly feed to the monopole and coupling feed to the slot on the ground. The slot and the monopole excite two orthogonal resonant modes with the same amplitude and 90phase difference for radiating circular polarization at about 4GHz. The prototype has been designed, built and found to have an impedance bandwidth of 61.4% (2.65-5GHz) and a 3-dB axial ratio (AR) bandwidth of 41% (3.3-5GHz). The characteristics of the proposed antenna have been studied by simulation software HFSS.11.Keywords: Broadband antenna; single-feed; circular polarization (CP); monopole; axial ratio1 引言现在，简单的线极化天线已很难满足人们的需求，圆极化天线由于其信号稳定、抗干扰能力强等优点广泛地应用于通信、雷达、电子对抗、遥感等诸多方面1, 2。其中，单馈电圆极化天线由于不需要外加相移网络，使得天线的结构简单而备受青睐3-8。然而，单馈电圆极化天线最主要的缺点是其阻抗带宽和轴比带宽都比较窄，通常只有10%左右。因此，展宽圆极化天线的带宽成了人们日益关注的问题。另一方面，印刷单极子天线由于其简单的结构、低轮廓以及宽带特性而得到了快速地发展。然而，这种天线通常都是线极化天线，很难辐射圆极化波。因此，如果印刷单极子天线能够辐射出圆极化波，那么圆极化带宽的问题就能够有效地解决9。本文设计了一种新颖的宽带单馈电圆极化微带单极子天线，有效地展宽了圆极化天线的阻抗和轴比带宽。2 天线的结构和原理天线的结构示意图如图1所示。该天线主要是由微带馈线、敷在介质基板一侧的印刷单极子和敷在另一侧的开有I型缝隙的地板组成。圆极化波是通过辐射单极子以及开在地板上的距离单极子/4的I 型缝隙来获得的。单一的微带馈线分为两部分：一部分直接对辐射单极子进行馈电；另一部分对地板缝隙进行耦合馈电。众所周知，单极子是由电流激励的，缝隙是由磁流激励的，而电流与磁流辐射场的电场矢量在空间上正交；由于单极子与缝隙相距为/4，馈线先馈电给单极子，然后耦合馈电给缝隙，因此单极子上激励起的电流比缝隙上激励起的磁流超前90；通过选取合适的单极子与缝隙的尺寸，使得它们的辐射场振幅可设计的相同10。综上，两个在空间正交的电场矢量相位相差90，幅度相同，因而实现了圆极化。图2给出了天线的三种试图和具体结构示意图。图1 天线的结构示意图对于阻抗带宽，通过选择长宽的50馈线分别与精心选择的长宽和长宽的阻抗变换器相连接，从而获得良好的阻抗匹配。此外，还通过增加长为，宽为的枝节来展宽阻抗带宽。该天线采用FR4介质基板，厚度=1.6mm，介电常数=4.4，损耗角正切=0.02。介质基板的总体尺寸为（40mm36mm1.6mm）。通常，印刷单极子的长度为波长的一半，所以这里单极子辐射器的尺寸为（22mm12mm）。（a）俯视图（b） 仰视图（c） 侧视图图2 天线的三种试图和具体结构3 结果分析为了得到天线的最佳性能，本文通过电磁商业软件HFSS.11对天线的各项性能进行仿真优化。除了下述的参数外，其他参数取值如下：=16mm，=6mm，=8mm，=18.5mm，=3mm，=1.5mm，=1mm，=4mm，=2mm，=4.5mm，=3mm，=4mm，=2mm，=6mm，=2mm，=14mm。图3给出了天线的回波损耗。从图中可以看出，该天线的阻抗带宽为2.35GHz（2.65-5GHz），相对阻抗带宽为61.4%。图4给出了天线的轴比特性。由图可知，该天线的3-dB轴比带宽覆盖了3.3-5GHz的范围，绝对带宽为1.7GHz，相对带宽为41%。相对于文献9,该天线进一步展宽了轴比带宽。图5给出了天线在不同频率下的归一化方向图特性。从图中可以看出，该天线具有良好的宽带圆极化特性。图3 回波损耗图4 轴比特性（a）3.3GHz主极化和交叉极化（b）4.1GHz主极化和交叉极化（c）5GHz主极化和交叉极化图5 归一化方向图4 总结本文提出了一种新颖的宽带单馈电圆极化微带单极子天线。利用印刷单极子和地板上的缝隙来实现宽带圆极化特性。阻抗带宽和轴比带宽特性均远远好于普通的贴片、单极子和缝隙天线。相对于文献9中的单极子天线，该天线进一步展宽了轴比带宽，缩小了天线的尺寸。此外，该天线由于具有小型化、结构简单、易于加工等优点，非常适合应用在现代通信系统中。参 考 文 献1J.R.James and P.S.Hall, Handbook of Microstrip Antennas, Peter Peregrinus, London, 1989.2Kin-Lu Wong, Compact and Broadband Microstrip Antennas, Ch5.3H.Iwasaki, A circularly polarized small-size microstrip antenna with a cross slot, IEEE Trans. Antennas Propagat. 44, 1399-1401, Oct.1996.4J. H. Lu, C. L. Tang and K. L. Wong, Single- feed slotted equilateral-triangular microstrip antenna for circular polarization, IEEE Trans. Antennas Propagat. 47, 1174-1178, July 1999.5K. P. Yang, K. L. Wong and J. H. Lu, Compact circularly-polarized equilateral-triangular micro- strip antenna with Y-shaped slot, Microwave Opt. Technol. Lett.20, 31-34, Jan. 5, 1999.6K. L. Wong, W. H. Hsu and C. K. Wu, Single- feed circularly polarized microstrip antenna with a slit, Microwave Opt. Technol. Lett.18, 306-308, July 1998.7J. H. Lu, C. L. Tang and K. L. Wong, Circular polarization design of a single-feed equilateral- triangular microstrip antenna, Electron. Lett.34, 319-321, Feb. 19, 1998.8S. A. Bokhari, J. F. Zuercher, J. R. Mosig and F. E. Gardiol, A small microstrip patch antenna with a convenient tuning option, IEEE Trans. Antennas Propagat.44, 1521-1528, Nov, 1996.9Christina F.Jou, Jin-Wei Wu and Chien-Jen Wang, Novel Broadband Monopole Antennas With Dual-Band Circular Polarization, IEEE Trans. Antenna Propagat. Vol. 57, no. 4, 2009.10钟顺时. 微带天线理论与应用. 第三章. 1990.作者简介：李萌，女，硕士研究生，主要研究方向为卫星通信天线。鄢泽洪，男，教授、博士生导师，主要研究领域为天线伺服控制，卫星通信天线等。一种新颖的陷波超宽带平面天线乔 青 尹应增 吴为军 任学施 苏振华(西安电子科技大学天线与微波技术国防科技重点实验室，陕西 西安 710071) 摘 要：本文提出了一种新颖的陷波超宽带平面天线。该天线采用印刷电路板上的眼形贴片作为辐射单元，并由同一平面上的微带线进行馈电，通过在眼形贴片上开一个E形缝隙来实现陷波功能。仿真及测量结果表明，该天线在3.1-10.6GHz工作频段内的电压驻波比小于2，在频率3.4GHz处具有陷波特性，从而有效抑制了超宽带系统与WiMAX系统间的干扰。仿真结果与测试结果吻合较好，验证了设计的正确性。关键词：眼形贴片天线，陷波特性，E形缝隙，超宽带，WiMAXA Novel Band-notch Ultra-wideband Planar AntennaQiao Qing Yin Yingzeng Wu Weijun Ren Xueshi Su Zhenhua(National Laboratory of Antennas and Microwave Technology , Xidian University , Xian Shaanxi 710071 , China)Abstract：A novel band-notch ultra-wideband planar antenna is presented. The antenna printed circuit board using an eye patch as a radiation unit by the other surface of micro-strip line feed. An E-shaped slot is cut in the radiation patch to obtain the band-notch function. Experimental results show that the voltage-standing wave ratio (VSWR) in the work band of 3.1-10.6 GHz less than 2.The antenna has a band-notch function at 3.4GHz, and inhibit the potential interference between ultra-wideband systems and WiMAX systems. Simulated and measured results validate our design.Key words：eye-shaped antenna; band-notch; E-shaped slot; UWB；WiMAX1 引言随着高速电子集成电路的快速发展，为了适应小型集成化的需求，超宽带（UWB）天线的研究与应用引起极大关注，UWB天线作为其重要元件，近年来成为了研究的热点1。由于UWB通信系统的频段内还存在无线局域网（WLAN）、WiMAX等窄带通信系统，从系统兼容的角度出发，为了降低不同系统间的相互干扰，使用带陷波功能的UWB天线是一种简单而行之有效的方法。引入陷波的方法有很多种，例如通过在渐变槽线天线的开口端引入一对四分之一波长的寄生槽2；在辐射缝隙内部引入一个U形寄生开路单元3；采用分形结构的调谐枝节，利用分形边界的变化，同样可以实现良好的匹配与陷波功能4。文献5中给出一种眼形立体单极子UWB天线，频率从3-20GHz，电压驻波比小于2，但是该天线尺寸较大、不易集成且未提及陷波结构。基于此，本文提出了一种结构简单具有陷波特性的平面UWB天线，通过将立体眼形结构变为平面结构，同样可以实现超宽带功能，这样就大大减小了天线尺寸，降低了成本，方便加工，而且通过在眼形辐射体上开一个合适的E形缝隙，实现了所需陷波结构，更具有实际意义。2 天线设计与分析本天线主要由眼形单极贴片和微带线馈电部分组成，结构尺寸如图1所示。天线印制在相对介电常数r=4.6，厚度H=1.5mm的低耗FR-4介质板上，天线尺寸为LW。辐射单元与地板分别腐蚀在介质的两侧，天线采用阻抗为50欧姆，宽度W0=2.7mm的微带线馈电。眼形辐射贴片是由半径r=10mm的两个相同的圆相交得到，圆心距d=10mm。图1表明，为了实现陷波特性，引入半波长的谐振结构即在眼形辐射体上开了一个E形缝隙，当E形缝隙长度d1+d2+d3/2约为所需抑制频率对应的1/3波长时，在该频点附近阻抗匹配。通过Ansoft公司的HFSS11软件仿真得到最优结果为：H=0.5, W=30, L=46, l1=18, w0=2.7, w1=0.5, w2=1.1, d1=13, d2=9.5, d3=7（单位为mm）。图1 天线结构尺寸示意图 E形缝隙的各个参数对天线的陷波特性有着直接的影响，调整各参数为合适的值可以实现预期的陷波特性。通过Ansoft HFSS11软件仿真表明，调整E形缝隙的长度d2 和宽W2，能够改变陷波的中心频率和带宽。在其他参数不变的前提下，E形缝隙尺寸的变化对中心频率和陷波带宽的影响如图2所示。图2（a）表明，随着d2的增大，陷波中心往低频移动；图2（b）表明，W2越大，陷波中心频率逐渐降低，陷波带宽逐渐变宽，合适的带宽才能有效的抑制窄带系统对超宽带系统的干扰。(a) 长度d2对VSWR频率特性的影响(b) 宽度w2对VSWR频率特性的影响图2 E形缝隙参数变化对天线VSWR频率特性影响关系曲线3 实验结果为了验证该UWB陷波天线设计方法的可靠性，基于图1给出的尺寸，加工的天线样品如图3。图3 天线实物照片天线的电压驻波比采用矢量网络分析仪Agilent N5230A测量，图4给出了UWB天线电压驻波比的仿真与测量结果。如图可见，天线在2.7GHz到超过11GHz非常宽的频带内的电压驻波比都小于2，天线电压驻波比在3.4GHz频点附近大于8，表明在该频段天线具有良好的陷波特性。图4中的测量结果与仿真结果基本吻合，两者存在的偏差，主要由同轴