带线型阵列天线单元的一体化设计

1、带线型阵列天线单元的一体化设计万 涛（中国电子科技集团公司第20研究所，西安，710068）摘 要：本文采用带状线形式的馈电网络与双面印刷偶极子相结合，设计了一种新型的一体化带线形阵列天线单元，其具有频带宽、结构紧凑、体积小等优点。X波段加工的天线实物表明其驻波系数小于2的相对带宽超过20%，并且频带内天线E面副瓣电平小于指标要求的-22dB，满足了实际使用要求。这种一体化设计的带线形阵列天线单元适合于用印刷电路技术大批量生产，是大型天线阵的一种理想的辐射纵列形式。关键词：阵列天线；带状线；双面印刷偶极子An Integrative Design of Stripline Array Ante

2、nna UnitWan Tao(The Twentieth Institute of Electronic Science & Technology Corporation; Xian 710068; China)Abstract: A novel integrative design of stripline array antenna unit is introduced in this paper. Combined stripline feeding network with double-faced printed dipoles, this proposed antenna

3、 has advantages of broad bandwidth, compact structure, small bulk, etc. The experimental unit processed in X band achieves over 20 percent VSWR bandwidth of less than 2, and good sidelobe level under desired -22dB within bandwidth in E plane. The unit meets need for practical use. The integrative de

4、sign of stripline array antenna unit was readily amenable to mass production with printed circuit technology. This unit was properly treated as a seemly radiation element in array antennas.Keywords: array antenna; stripline; double-faced printed dipole·13·1 引言相控阵天线系统中阵列天线单元的设计是一维相扫天线设计的关键。

5、为进一步提高相控阵天线的性能，对阵列天线单元的研究一直是雷达天线界关心的课题。本文介绍的带线型阵列天线单元具有频带宽、结构紧凑、体积小、易于批量生产等优点。采用一体化设计的带线型阵列天线单元，其馈电网络适于与天线阵结构一起制成，适合于用印刷电路技术大批量生产，是大型天线阵的一种理想的辐射纵列形式。2 设计原理2.1 阵列天线单元中的激励幅度分布在强制馈电网络中，最常用的电流幅度分布形式是泰勒幅度分布。对于一般的线阵，泰勒分布可以在满足一定副瓣电平要求的前提下，使波束最窄、增益最高，从而达到最优化的设计目的。我们知道，连续线元的泰勒照射函数为： （1）式中（2），（3）式中为线元长度，为天线泰勒

6、分布方向图的等副瓣个数，SLL为设计的副瓣电平（为正值），为离散单元到线元中心的距离，为双余弦函数，从上式中我们还可以求出A为： （4）利用以上公式，编制程序输入单元间距、单元数N、理想副瓣电平SLL、等副瓣个数，即可优化出离散单元的电流幅度分布。在实际设计中，需预先考虑到由于单元及功分器网络的加工及装配等多项误差，同时由于辐射单元的外互耦及带状线馈电网络的内互耦等多项因素所带来的影响。2.2 带状线馈电的双面印刷偶极子辐射单元传统微带巴伦馈电的印刷偶极子天线，由于采用的是微带线形式的馈电网络，其辐射损耗较大、且电性能受外界电磁环境影响较大，并且它采用的是单面辐射振子结构，其H面方向图并不是完

7、全对称的。本文通过将微带形式的印刷偶极子天线的馈电网络改进为带状线形式，并且采用双面辐射振子结构，可以获得一种带状线馈电的新型宽带印刷偶极子天线，这类天线也可获得较宽的带宽及良好的方向图特性，并且其馈电网络适于与天线阵结构一起制成。带状线馈电的双面印刷偶极子天线结构如图1所示，包括了上下两层覆铜印刷偶极子天线、中间带状线馈电网络以及两层介质板组成。其设计办法是在传统微带巴伦印刷偶极子天线设计计算的基础上，将微带线中的特性阻抗、线长、线宽等参数转换为带状线形式下相应的各参数，并且通过仿真略微调整即可获得精确的设计参数。我们对一工作在中心频率f0的辐射单元做了仿真，仿真结果表明其驻波系数小于2的相

8、对带宽超过20%。图1 HFSS仿真中带状线馈电的双面印刷偶极子天线结构及驻波仿真曲线2.3 阵列天线单元的一体化设计将带状线馈电的双面印刷偶极子辐射单元与带线型功分网络进行一体化设计，单独设计好的功分网络各输出端口分别连接双面印刷偶极子辐射单元的馈电口，考虑到互耦因素，通过仿真试验略微调节各级阻抗变换段的线宽，即可获得满足电气性能需求的阵列天线单元结构。3 实物测试结果分析根据以上方法，我们在X波段设计了一副中心频率工作在f0，辐射单元数为16个，要求副瓣电平<-22dB的阵列天线单元，加工的天线实物如图2、3所示。图2 阵列天线单元正、背面图3 阵列天线单元中间的馈电网络图4、5分别

9、是天线实物的驻波测试曲线以及远场E面方向图测试结果。测试表明，该带线型阵列天线单元驻波系数小于2的相对带宽超过20%，并且从f0到f4的五个频点上天线E面的副瓣电平均小于指标要求的-22dB，天线电气性能满足实际使用要求。图4 阵列天线单元实测驻波曲线图5 阵列天线单元实测E面方向图4 结论本文采用带状线形式的馈电网络与双面印刷偶极子相结合，设计了一种新型的一体化带线形阵列天线单元，X波段加工的天线实物表明其电气性能指标满足设计要求。这种形式的阵列天线单元适合于用印刷电路技术大批量生产，是大型天线阵的一种理想的辐射纵列形式。参 考 文 献1 林昌禄. 近代天线设计. 人民邮电出版社. 1993

10、：98-107.2 周朝栋，王元坤，周良明. 线天线理论与应用. 西安电子科技大学出版社. 1988：27-37.3 Garg R, Bhartia P, Bahl I, etc. Microstrip Antenna Design Handbook. Artech House. 2001：399-416，771-810.4 钟顺时. 微带天线理论与应用. 西安电子科技大学出版社. 1991：1-11，228-240.5 Edward D, Rees D. A broadband printed dipole with integrated balun. Microwave Journal.

11、1987(5)：339-344.6 秦浩，李刚. 一种一体化设计的阵列天线单元. 雷达科学与技术. 2006, Vol.4, No.4：245-248.7 万涛，王风. 一种带状线馈电的新型宽带印刷偶极子天线. 电子测量技术. 2007, Vol.30, No.12：22-25.作者简介：万涛（1978），男，工程师，从事射频、微波电路和天线设计研究，Email：jason_walter联系电话02988788672工作单位：中国电子科技集团公司第20研究所五室通信地址：西安市92信箱65分箱，邮编：710068UHF频段RFID天线技术研究葛寿兵1 龚成2中国电子科

12、技集团公司第23研究所 1（上海201900）中国电子科技集团公司第50研究所 2（上海200063）摘 要：本文概述了RFID技术的系统组成及工作原理，重点介绍了标签天线的设计原理与实例，对标签天线的设计工作有一定参考价值。关键词：RFID；天线；测量；电子标签Research of RFID antenna for UHF bandGe shou-bing 1 Gong cheng2No.23 research institute of CETC1 No.50 research institute of CETC2Abstract: In this paper ,an overview o

13、f antenna design for passive RFID tags is presented. We discuss various requirements of such designs, outline a generic design process. The low profile, low cost and high efficiency of the antenna render it suited for a variety of RFID applications. Keywords: RFID; antenna; measurment1 RFID系统的组成与工作原

14、理射频识别系统主要是有电子标签、读写设备、中央处理系统以及用户终端所组成，其系统组成如图1所示。大体上讲RFID系统是由电子标签和阅读器组成的。图1 射频识别系统应用框图RFID系统的工作原理，参照图2所示。当电磁波从雷达天线向周围空间发射时，会遇到不同的目标，那么到达目标的一部分高频能量以不同的强度散射(或反射)到自由空间的各个方向。当然有某一小部分能量会返回到发射大线，被称为回波。在雷达技术中，通过测量回波信号来测量远程目标的距离和定位。一方面，如果按照某一规律控制目标反射信号幅度、相位或频率(称为调制)，那么雷达接收机在接收到反射信号后通过解调就可获得调制信号的相关规律。如果这一规律是一

15、串有序的数字信号，那么就可以利用雷达波束进行某种通信。图2 调制的雷达散射同样，参见图3所示。对于微波射频识别系统来说，接收天线相当于等效有一个可变负载。当数据流从阅读器发出时，接收天线利用其可变的负载特性，将控制接收天线的反射信号，把相关应答信号调制到反射的电磁波上。当阅读器接受到反射信号时，进行解码获取被识别的信息并发出相应的电磁载波。而被识别的信息通常被存贮在电子标签中。电子标签含有被识别的专用信息，可以作为被识别物体的身份象征。利用阅读器和电子标签之间的射频通信完成相关的数据交换，达到被识别的目的。然后，接收到相关被识别信息的阅读器将相关信息通过局域网络系统和Internet网路系统传

16、送到直接管理部门，供管理者实时远程管理以及跟踪，使远程移动商务成为可能。这就是RFID系统的简要工作原理。在这个系统中最最关键的核心部件是电子标签。图3 常用的电子标签天线2 电子标签天线的设计在微波RFID系统中，天线被用于接收和发射电磁波，即进行能量的转换装置，常用半个波长的天线。在近于半波长时，天线处于谐振状态，输入阻抗接近为实数。此时，天线的效率较高，辐射及接收电磁波的能力较强，并且易于实现匹配。实际上，并不是所有的系数都采用半波长的天线，小于半个波长的天线也是可以使用的，只是其输入感抗增加，输入电阻降低。将造成难以实现阻抗匹配，辐射效率也降低，这就意味着接收功率降低，后向散射回阅读器

17、的功率也减小。通常使用的谐振天线也有半波对称振子、折合振子以及各种形状的微带天线。一般地，对称振子都使用线形振子或者是被印制在介质板上。为了降低天线的欧姆值以及导体损耗等，对称振子的宽度要尽量宽些，制作材料的电阻率要低。电子标签常用的对称振子天线示于图3。对于常规的对称振子天线，呈线形振子，即导线的半径a与波长相比小得多(a/<<1),被称为线天线。参照图4所示的坐标系统对称振子的典型参数为：图4 坐标系统 长度：一般讲，半波对称振子天线的长度就是半个波长。实用中的对称振子天线，其实际长度并非是精确的半波长，而通常是小于半个波长。这是由于对称振子的辐射损耗和末端效应引起电流的波长缩

18、短，从而引起天线长度的缩短，在实际的设计时天线的谐振长度与波长缩短系数有如下关系: （1）其中：为波数，为工作波长，为波长缩短系数，工程上，一般可用下式进行计算： （2）这里a为天线振子的半径。常用的片状对称振子(如图3中的b)其宽度w也可等效为圆柱形对称振子的半径:工程上有如下等效关系： （3） 方向函数、方向性系数：参照图4所示的坐标系统，半波对称振子的方间函数可以表示为: （4）天线的方向性系数可由式（5）给出。图5中给出了半波对称振子的方向函数曲线。 （5）在最大辐射方向上（）时，其方向性系数为1.64即2.15dB。在实际RFID系统中，电子标签被安装在被识别的物体上，而被识别的物体

19、常常是金属的。为此电子标签天线的设计必须计入无限大金属背板的影响。图5 对称振子的方向图参照图6所示的坐标系统。假定天线距金属板的距离为d。则安装在金属背板上的对称振子天线可以看作是理想导体平面上的水平对称振子天线。则其辐射场的方向函数可写为： （6）图6 金属平板对天线的影响其中：为半波振子的方向函数，由式（4）给出： （7）被称为阵因子。图7中给出了安装在金属背板上的半波振子天线的典型方向图，比较图5和图7可以看到，在无限大金属板上的对称振子天线，其H面波瓣宽度明显变窄。当距离d<时，其最大辐射方向仍然在（）的方向上；当时，其在方向上的辐射场为零。因此，在RFID系统中结合具体工程应

20、用一般选d<<，一方面易于使标签紧贴被识别物体，尽量减少所占空间;另一方面也使天线的最大辐射方向垂直于理想导体表面。 图7 金属板对天线H面方向图的影响图8 对称振子的输入阻杭随长度的变化 输入阻抗及驻波比：对称振子天线的阻抗就是它位于自由空间的辐射阻抗，是“吸收”其自辐射功率的阻抗。对称振子的辐射功率就是振子电流在自身电磁场作用下的感应辐射功率。其输入阻抗可用感应电动势法求得为： （8）其中：（9）C=0.5772 为欧拉(Eular)常数。（10） （11）其中a为振子半径。图8中给出了对称振子天线的输入阻抗随电长度的变化曲线（其中a0.001）。当考虑到无限大金属背板的影响时

21、，对称振子天线的阻抗可由下式给出： （12）其中，由式（8）给出。 （13） （14）（15），图9给出了无限大金属平板上水平对称振子的阻抗特性。可以看到，当小于0.5时，输入阻抗曲线变化剧烈，说明地面对天线的输入阻抗影响很大；当大于0.5时，输入阻抗曲线变化趋缓，说明地面对天线的输入阻抗影响减小；当趋于无限大时，输入阻抗曲线变化平稳，并逐渐趋于自由空间天线的输入阻抗。说明地面对天线的输入阻抗影响减弱。半波对称振子天线的带宽一般为5%左右，属于窄频带天线。而采用宽带馈电技术可以实现1020%的工作带宽。图9 地面对水平半波振子输入阻杭的影响图图10 标签天线的结构图示意图3 设计实例在这里我们

22、将介绍一个天线的仿真，其中我们比较关心的参数是天线的输入阻抗。在RF装置中，工作频率增加到微波区域的时候，天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。天线的目标是传输最大的能量进出标签芯片。这需要仔细的设计天线和自由空间以及其相连的标签芯片的匹配。为了最大功率传输，与天线接的芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗匹配。几十年来，设计天线与50 或70欧姆的阻抗匹配，但是可能设计天线具有其他的特性阻抗。例如，一个缝隙天线可以设计具有几百欧姆的阻抗。一个折叠偶极子的阻抗可以是一个标准半波偶极子阻抗的20倍。印刷贴片天线的引出点能够提供一个很宽范围的阻抗（通常是40 到100欧姆）。选择天线的类型，以至于

23、它的阻抗能够和标签芯片的输入阻抗匹配是十分关键的。由于微波射频识别系统工作的特殊性，标签天线的设计参数与一般的天线有所不同，为了正常工作，要满足以下条件：足够的小以至于能够贴到需要的物品上，在智能交通系统中，不能影响车辆的驾驶；有全向或半球覆盖的方向性，这样对标签的放置就没有特定要求；能提供最大可能的信号给标签的芯片；无论物品在什么方向，天线的极化都能与读卡机的询问信号相匹配；具有鲁棒性；非常便宜。在微波RFID系统中，可选的天线有几种：双偶极子、折叠偶极子、印刷偶极子、微带面和双数螺旋。标签是贴于被识别物体表面的，物体的材料和形状可能会对标签天线的辐射特性产生严重的影响，使之与孤立状态是不相

24、同的，比如：金属表面对远场方向图的影响，介质材料对谐振频率的影响等，所以在选择和使用天线的同时，必须再分析整体特性。考虑到系统实际应用环境通常天线的面积占整个标签的80%左右，所以天线的尺寸不易过大，选用具有中、低增益的天线单元作为标签天线的收发天线即可。通常微波RFID系统中使用的标签天线是半波对称振子天线、微带天线等等，但是在915MHz 工作时，这些天线的尺寸过大，不适合实际使用。我们设计了一款结构如图10所示的天线，在两块介质薄板上覆一层薄铜，铜片的结构见图所示。天线工作频段在915MHz，采用介电常数为2.2的材料，两层介质板的大小为：76.1×44mm ，上层介质厚0.7

25、mm ，下层介质厚0.5mm。这个标签天线可视为一种片状对称振子天线，左右两部分为天线的两极，中间缝隙处安装存有资料的集成芯片。从减小其物理尺寸为目标，首先将其一极（图10中的左边部分）的宽度加宽，加宽的宽度和选择的长度由实际工作要求（尺寸）决定，这样不仅可以降低其特性阻抗，使其阻抗曲线变化平缓，还可以展宽工作频带，因为如果采用两极都加宽，辐射特性当然更好，但是面积又过大了，达不到需要的目的，所以只采用一极加宽；接着由粗极子过渡到细极子，之所以还需要采用细极子的原因是为了便于与集成芯片连接，因为集成芯片的体积很小，它的管脚间距通常只有一个毫米左右，若采用粗极子则易于引起芯片短接；再者为了减小天

26、线两极的长度，论文采用折叠的方法，充分利用标签剩余的空间，在空的区域放置天线，从而减少其绝对长度。我们采用Ansoft HFSS9.2进行仿真。在对天线参数稍微进行调整后：采用介电常数为2.2的材料，两层介质板的大小为：71×44mm，上层介质厚0.5mm，下层介质厚0.5mm。仿真结果如图11所示。从（a）图中我们可以看出其远场辐射方向图和一般的对称振子辐射相似；从（b）图可以看出，这个标签天线的工作频带有 9.8 % , 谐振频率为915MHz，而在短路情况下仿真得到的天线谐振频率在925MHz。；从（c）和（d）图可以得到标签天线的端口阻抗在915MHz的频率上大致为：28j1

27、5。与PHILIPS 提供的芯片匹配良好，制作成的标签经实际测试性能良好，满足用户要求。 （a）远场辐射特性图（b）反射系数dB值与频率变化图（c）天线阻抗实部值与频率变化图（d）天线阻抗虚部值与频率变化图图11 天线仿真图参 考 文 献1 龚成. RFID中电子标签天线设计. RFID技术与应用Vol.1, No.3, 2006, PP40-432 K.V.Seshagiri rao et al, Antenna Design for UHF RFID Tags: A Review and a Practical Application,IEEE.Trans-AP.,Vol.53,No.12

28、, Dec,2005,PP3870-38763 CN200620039337.4作者简介：葛寿兵、龚成，男，高级工程师，主要研究领域为微波通讯及天线技术。电阻加载火山烟雾形平面超宽带天线李长勇1,2 刘 浏1 双 涛1 康小平1 杨士中2(解放军重庆通信学院，重庆 400035)1(重庆大学通信工程学院, 重庆 400030)2摘 要：本文设计了一种火山烟雾形平面印刷超宽带天线，研究显示其阻抗带宽低频端可达0.8GHz,在加载电阻回路后可以进一步降低天线阻抗带宽的低端频率，因此在作脉冲辐射时,可减小脉冲信号辐射失真。关键词：超宽带天线，火山烟雾，加载电阻，阻抗带宽Volcano Smoke P

29、lanar Ultra-Wide Band Antenna Loaded Resistance Li Changyong1,2 Liu Liu1 Shuang Tao1 Kang Xiaoping1 Yang Shizhong2(Chongqing Communication Acadimic of P.L.A., Chongqing , 400035,) 1(College of Communication Engineering of Chongqing University, Chongqing ,400030) 2Abstract: The author designs a volca

30、no smoke planar ultra-wide band antenna, which is compose of the planar volcano smoke antenna and the resistance loop circuits. The lower cut-off frequency of the antenna bandwidth is investigation. The return loss (S11) of the input port of the antenna is measured. The research found that the lower

31、 cut-off frequency of antenna with and without resistance loop circuits is 0.5GHz and 0.8GHz, respectively. The results show the resistance loop circuits can expand the bandwidth of the antenna toward the lower frequency direction.Keywords: Ultra-wide band, antennas, volcano smoke, loaded resistance

32、, bandwidth1 引言用于脉冲发射的超宽带天线具有很宽的频带，频带的低频端与天线的尺寸有关，要想做到较低的低端截止频率就要较大的天线尺寸，这在实际应用中又受限。因此研究在一定尺寸下进一步降低天线的低端截止频率很有必要。对于高功率的TEM喇叭天线，有学者研究了基于电-磁振子组合型设计方法1,2，其设计思想是将TEM喇叭视为电偶极子，磁偶极子由良导体或者用适当加载的导体从侧后方将喇叭相连形成,这样电偶极子与磁偶极子组合辐射以增强低频辐射能力。也有学者研究了基于短路片的平面单极超宽带天线结构3,4以降低阻抗带宽的低频端的频率，扩展了带宽。这类天线的单极振子为一平面结构,并带有一平板导体地板，

33、在辐射单元与接地板间用短路片相连，并采用SMA头的同轴线馈电，文献3设计了一种椭圆金属片作为辐射单元，文献4采用短路和切角技术相结合以提高带宽。“火山烟雾形”天线5是由张开同轴线的外导体和火山烟雾形的内导体形成的，这种天线具有很宽的带宽，且在水平面为全方向性。基于这种结构，文献6研究了外导体为平板单极结构的天线，研究显示有超宽带特性。为了减小天线剖面，基于上面短路结构和电-磁振子组合型设计思路，本文设计了一种平面印刷电路形式的火山烟雾形天线，并在天线上增加了电阻加载回路，研究结果显示这种天线具有超宽带特性，并增加电阻加载回路后可以进一步降低带宽的低端频率。2 火山烟雾型平面天线结构本文设计的平

34、面印刷形式的火山烟雾形天线，如图1采用共面波导馈电，天线大小，H=75mm，W=75mm，共面波导尺寸中心导电带宽W1=2mm，缝隙宽S=1mm，天线项端的圆弧半径长为R1=20mm，两边的地板上部分也是半径为R2=18mm的半圆弧，下部分高H2=10mm。天线颈部圆弧半径R=47.3mm。加载电阻回路的火山烟雾形平面天线如图1所示。天线加载回路由七个贴片电阻连接五段印刷导线，天线中间顶端的电阻连接天线振子与顶上一段导线。图1 加载电阻回路的火山烟雾形平面天线3 数值分析与实验结果用Ansoft HFSS对这种结构天线进行了数值分析.在HFSS中设计这种天线时有几个关键点：加载电阻可以采用设置

35、集总电阻加载边界（Lumped RLC Boundary）条件的方法进行设置，天线的激励源采用在共面波导中心导电带上设置集总口(Lumped Port )方式进行设置。图2显示了HFSS模型图。在HFSS中，分析了这种天线的馈电处S11参数，并且比较分析了参数S11随加载电阻的大小的变化关系。图2 HFSS 中的天线模型数值分析结果可知：电阻的总阻值在1-2K欧左右时，带宽的低频端最低，加载电阻的数值太大（10K欧以上）或太小（几百欧以下）都不利于带宽的低端扩展。图3，图4给出了几种电阻加载时S11的曲线。在电阻加载后，由于电阻的热损耗，会减小天线的辐射效率。因此，图5给出了在HFSS中考查不

36、同电阻加载时的辐射电场大小，由此可知，加载电阻越大时辐射的电场越强，因此在选取加载电阻大小时，就折衷考虑带宽与辐射效率。图3 加载电阻时天线的S11曲线图4 加载电阻后的S11图5 不同电阻加载时天线辐射电场的不同，YZ平面，1GHz实验测试结果：制作了有加载回路和无加载回去路这两种天线样品，天线基板采用FR4材料，介电常数为4，厚0.8mm，如图6和图7。利用安立(Ani)公司的MS4624D网络分析系统测出了这种天线10MHz9GHz 的S11数值，图8给出了没有加载回路的天线的S11数值，可知天线低端频率在0.8GHz左右。加载电阻时，两边六个加载电阻都为150W，改变顶上电阻R的大小进

37、行S11测试。由于测出的S11数值在高于5GHz时都小于-10dB，因此只取了5GHz以下的数值进行分析。图6 火山烟雾形天线图7 加载电阻火山烟雾形平面天线图8 无加载回路时天线的S11测试值图9给出了在10MHz5GHz频段内天线三种情况下的S11值：无环无电阻、有环无电阻、有环有电阻。由此可知，加载电阻后，带宽的低端载止频率向低频端扩展效果明显。图10和图11比较了几种加载电阻后S11测试结果，显示了这个电阻值在2.2kW时最佳,低频载止频率可降低到0.5GHz左右。从图9中还可看出，在有环导线，但没有电阻时，这时的环并没连通，几段导线起到寄生耦合作用，S11出现了两个大于-10dB的带阻区。这与文献7研究的利用寄生振子实现带阻超宽带天线的结果相一致。当天线上两边的六个加载电阻为1kW时，顶端的电阻为1kW和7.5kW时的S11测试值如图12所示，可以看出，这时的带宽低频端增大，且