一种可展宽频带的微带贴片天线

1、第24卷第2期电波科学学报Vol.24,No.22009年4月CHINESEJOURNALOFRADIOSCIENCEApril,2009文章编号100520388(2009)0220307204一种可展宽频带的微带贴片天线孙思扬林欣高攸纲吕英华(北京邮电大学电子工程学院,北京100876)3摘要提出了一种可展宽频带的微带贴片天线。通过对普通矩形微带贴片天线进行切角而展宽频带。由贴片天线的谐振频率和该贴片上的电流分布出发,生宽带特性的机理。HFSS对该天线的电特性进行计算,结果表明:(-达到16%(370MHz)。关键词;TN82ADesignofawidebandmicrostrippatc

2、hantennaSUNSi2yangLINXinGAOYou2gangLYing2hua(SchoolofElectronicEngineering,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876,China)AbstractThispaperpresentsasingle2patchwide2bandmicrostrippatchantenna1Thebandwidthisexpandedbycuttingdownasquareatthecorneroftheordinaryrectangularpatchantenna

3、1Thewide2bandmechanismisexploredbyinvestigatingtherelationshipbetweentheresonantfrequencyandthesurfacecurrentdistributiononthepatch1TheelectricalpropertyoftheantennaiscomputedusingcommerciallyavailableFiniteElementsoftware,HighFrequencyStructureSimulator(HFSS),ofAnsoft1Itcanbeseenfromthesimulationre

4、sultsthattheantennaproposedinthispaperhasanimpedancebandwidth(S11<-10dB)of16%(370MHz)1Thevalidi2tyofthisdesignisdemonstrated1Keywordsmicrostrippatchantenna;expandbandwidth;cutdown;surfacecur2rent;flowpath引言随着无线通信技术的迅速发展,微带天线获得了广泛的应用。与普通微波天线相比,微带天线具有剖面薄,体积小,便于与其它微波器件集成等优点。但是,由于其Q值极高,因此其带宽较窄。为了展宽微带

5、天线带宽,近年来,研究者提出了许多不同的天线结构。采用寄生贴片是增加带宽的传统方法,文献1提出了一种带有U型寄生贴片的宽带微带天线。文献2中,描述了一种开双H形槽的口径耦合馈电微带天线。但是这些方法在提高天线带宽的同时增大了天线的体积,从而使其应用受到一定限制。因此,展宽单贴片微带天线带宽具有重要的实际意义35。文献5中,通过加载缝隙,E型贴片天线的带宽超过了30%。文中提出了一种可展宽频带的微带贴片天线。收稿日期:20082052301基金项目:国家高科技发展计划资助项目(2007AA01Z281);博士点基金(200700130046)3联系人:孙思扬E2mail:ssybuptgmail

6、1com307308电波科学学报第24卷通过对普通矩形微带贴片天线进行切角,从而引入多个谐振电流路径长度,使天线带宽得到展宽。相比于U型、E型贴片天线,该天线结构更加简单,便于制造。文中提出的贴片天线工作于214GHz频段。为了提高分析效率,文中的仿真分析均使用电磁仿真软件ANSOFTHFSS,而非实际制作后测得,但这并不影响对该方法有效性的证明。不变,其谐振频率也不变。而对于切角部分,贴片物理长度的减小导致电流路径长度相应地减小,由(1)式可知,这将引入一个高于原谐振频率的新的谐振频率。当这两个谐振频率彼此靠近时,可以有效地展宽微带天线的带宽。微带介质板采用RogersRO4003材料,r=

7、3138。贴片高度h=5mm,贴片尺寸为(3011,3011)mm,切掉部分的尺寸分别为(3,1316)mm,(3,1316)mm。天线由50同轴线馈电。将上述值代入(1)至(3)式,为f=215GHzf。1天线结构和工作原理本文提出的微带天线的结构如图1所示。天线贴片的尺寸为(L,W,h)。天线贴片由同轴探针馈电。为了展宽天线频带,对其进行切角,切掉的部分尺寸分别为L1,W1,L2,W2。ANSOFTHFSS对所设计的天线进行数值计算。天线的S11参数仿真曲线如图2所示。图1天线结构示意图电流路径法是一种简单而直观的微带天线分析方法,通过预估贴片上的电流路径,得出该贴片谐振频率的大致个数及大

8、小。对于普通矩形微带贴片天线,其表面电流沿着贴片长度方向流动。计算出其谐振频率以便于在仿真时设置其求解频率。谐振频率与矩形贴片天线长度的关系如下6:fr=2L+2e(1)图2所设计天线的S11参数式中,e为天线的等效介电常数,可由天线介质基板介电常数算出6:-1/2(2)1+10+e=W22而l为由贴片开路端缝隙的边缘效应所引起的等效延伸长度,计算的经验公式如下6:+01264l=01412he-01258+018h图中虚线所示为切角微带天线的S11参数曲线,作为比较,实线所示为普通矩形微带天线的S11参数曲线。由图可见,普通矩形微带贴片天线仅有一个谐振频率,而切角微带天线有两个谐振频率,分别

9、为214GHz和2165GHz,与公式(1)的计算结果相近。这两个谐振频率彼此靠近,展宽了天线的带宽。当S11<-10dB时,切角微带天线的带宽达到了370MHz(16%),三倍于未切角的普通矩形微带天线。图3所示为切角微带贴片天线的表面电流分布。(3)式中,c为真空中的光速,其数值为3×108m/s。对普通微带天线进行切角后,贴片的物理长度发生了变化。对于未切角的部分,贴片的物理长度第2期孙思扬等:一种可展宽频带的微带贴片天线309图时的方向图。优于普通矩形微带贴3结论提出了一种可展宽频带的微带贴片天线。在结构上对普通矩形微带贴片天线进行切角从而展宽天线频带。由贴片天线的谐振

10、频率和该贴片上的电流分布出发,研究了产生宽带特性的机理。应用仿真软件ANSOFTHFSS对设计的天线模型进行仿真,结果显示,其带宽达到了16%(S11<-10dB),三图3由图3可以明显看出不同频率下的电流路径长度。在214GHz时,电流主要集中在未切角的部分,而在2165GHz时,电流主要集中在切角部分。再次验证了第一节中的电流路径法分析计算的有效性。图4与图5分别为所设计天线在214GHz及2165GHz时的方向图。由图可见,方向图在频带倍于初始带宽。该方法直观有效,并且便于与其它展宽微带天线频带的方法联合使用,从而进一步展宽带宽。参考文献1SANGHW,YONGSL,JONGGY1

11、Widebandmi2crostrippatchantennawithu2shapedparasiticelementsJ1IEEETransactionsonAntennasandPropaga2tion,2007,55(4):11962119912焦永昌,潘雪明,王泽美,等1一种开双H形槽的新内比较稳定,在214GHz及2165GHz时,天线的E面半功率波束宽度分别为59°和57°,H面半功率型宽频微带天线J1电波科学学报,2005,20(5):65626591JIAOYongchang,PANXueming,WANGZemei,etal1Novelwidebanddo

12、ubleH2shapedaperture2couplingmicrostripantennaJ1ChineseJournalofRadioSci2ence,2005,20(5):65626591(inChinese)3RAFIGZ,SHAFAIL1WidebandmicrostrippatchantennaswithV2slotandpatch2viaresonatorsCAntennasandPropagationSocietyInternationalSym2posium,2004,IEEE,4:37412374414HUYNHT,LEEKF1Single2layersingle2patc

13、hwide2bandmicrostripantennaJ1ElectronicsLetters,1995,31(16)ANY,ZHANGXX,YEXiaoning,etal1Wide2band图4所设计天线在214GHz时的方向图310电波科学学报E2shapedpatchantennasforwirelesscommunicationsJ1IEEETransactionsonAntennasandPropagation,第24卷林欣(1983-),女,宁夏人,北京邮电大学在读硕士生,主要研究方向为电磁兼容技术和环境电磁学理论。高攸纲(1928-),江苏人,男,北京邮

14、电大学教授,博士生导师,中国电子学会电磁兼容分会及中国通信学会电磁兼容委员会主任委员,主要研究方向为电磁兼容技术和环境电磁学理论。吕英华(1944-),男,电磁兼,计算机信息技3129.11GOUNONP,ADNETC,GALYJ.Localizationangu2lairedesignauxnoncirculairesJ.TraitementduSig2nal,1998,15(1):17223.12HAARDTM,R;MERF.EnhancementsofunitaryESPRITfornon2circularsourcesC/IEEEProc.Int.Conf.Acoustics,Spee

15、ch,SignalProcessing(IC2ASSP),Montral,QC,Canada,May17221,2004,II:1012104.13ABEIDAH,DELMASJP.MUSIC2likeestimationofdirectionofarrivalfornoncircularsourcesJ.IEEETrans.SignalProcess,2006,54(7):267822690.14PICINBONOB.OnCircularityJ.IEEETrans.Sig2nalProcess.,1994,42(12):347323482.15ROYRandKAILATHT.ESPRIT2

16、EstimationofsignalparametersviarotationalinvariancetechniquesJ.IEEETrans.ASSP.,1989,37(7):9842995.2001,49(7):10942110016钟顺时1微带天线理论与应用M1西安:西安电子科技大学出版社,1991:112391孙思扬(1983-),男,山东人,现为北京邮电大学电磁场与微波技术专业在读博士生,主要研究方向为微带天线理论与设计,电磁兼容。(上接第306页)4ZOLTOWSKI,TMandMATHEWSCP.Closed2Form22Dangleestimationwithrectangu

17、lararraysinelementspaceorbeamspaceviaunitaryES2PRITJ.IEEETrans.SignalProcess.,1996,44(2):3162328.5KIKUCHIS,TSUJIH,SANOA.Pair2Matchingmethodforestimating22DAngleofarrivalwithacross2correlationmatrixJ.IEEEAntennasandWire2lessPropagationLetters,2006,5(1):35240.6TAYEMN,KWONHM.L2Shape22Dimensionalar2riva

18、langleestimationwithpropagatormethodJ.IEEETrans.AntennasPropag.,2005,53(1):62221630.7王建英,陈天麒.用L阵实现频率、二维到达角和极化的联合估计J.电波科学学报,2001,16(1):30233.WANGJianying,CHENTianqi.Jointfrequency,twodimensionalarrivalangleandthepolarizationestima2tionusinganLarrayJ.ChineseJournalofRadioSci2ence,2001,16(1):30233.(inChinese)8GARDNERWA.SimplificationofMUSICandES2PRITbyexploitationofcyclostationarityJ.Proc.IEEE,1988,76(7):8452847.9XINJ,SANOA.Linearpredictionapproachtodirec2tionestimationofcyclostationarysignalsinmultipathenvironmentJ.IEEETrans.SignalProcess,2001,49(4):7102720.10LESHEMA,VANDER