一种低剖面轻型化E形微带天线的研制.docx

1、Vol.14No.16Jun.2014©2014Sei.Tech.Engrg.科学技术与工程ScienceTechnologyandEngineering一种低剖面轻型化E形微带天线的研制张光生王玉峰常雷(中国电子科技集团公司第36研究所，珞兴314033)摘要研制了一种低剖面轻型化的E形微带天线。E形微带天线的电性能特性与介质层的厚度关系密切，通过分析天线剖而与带宽的关系，设计出兼顾低刮面和宽带特性的E形微带天线；通过微带线馈电方便了天线输出位置的设定，提高了天线设计的灵活性；将天线底板侧边折弯以加强结构隋性，并扩展天线的地面尺寸改善天线增益。对设计的天线进行实物加工、测试，在0.

2、0326入剖面高度条件下获得了超过10%的相对带宽，天线增苍大于5dBi；同时天线具境小型化和轻型化的特点。关健词E形微带天线低制面小型化轻型化中图法分类号TN822.80441；文献标志码A微带天线因其成本低、剖面低、重尽轻等诸多优点，广泛应用各种通信系统中，但进一步的发展却受制其较窄的带宽,研究人员提出了贴片表面开槽U幻的方法构造双频谐振特性，从而获得宽带型微带天线，这其中最为经典的就数E形微带天线。近年来，研究人员在对E形微带天线的性能研究中,大多以扩展阻抗带宽为目的，单层E形微带天线的阻抗带宽能达到30%以上，层叠结构的E形微带天线的阻抗带宽可达40%以上16°但这些E形微带

3、天线都是采用厚介质基板，并未考虑对天线剖面的降低设计。然而，天线剖面高度的降低通常是伴随着阻抗带宽的变窄，而在实际应用中，经常会遇到阻抗带宽要求不是那么宽，但对于天线的剖面要求尽可能低的情况，这就要求天线设计的时候要综合考虑剖面高度、阻抗带宽、增益、波束宽度、背瓣等多重因素。为了实现兼顾剖面高度、阻抗带宽、增益、波束宽度、背瓣要求的E形微带天线，本文对不同剖面高度的E形微带天线的带宽、增益特性进行比较分析，给出了文中特定形式的E形微带天线在不同剖面高度时可以获得的阻抗带宽参考值，并在此基础上设计了一种0.0326A剖面高度的E形微带天线，具有10%的相对阻抗带宽，大于5dBi的天线增益。由于提

4、出的天线的尺寸较小，具有较高的背瓣，文中针对2Ax2A的较大安装平台进行了仿真分析，该安装平台对天线的电压驻波比、增益和波束宽度值影响较小，可获得小于-17dB的背瓣。2013年12月20日收到第一作者简介：张光生(1974-),男，浙江浦江人，高级工程现。研究方向:微波天线设计,天线小型化。E-mail：wy(820925。1天线结构本文天线结构如图1所示。该天线主要由底板、印制E形贴片的印制板和馈电探针三部分组成。E形辐射贴片忙乙、宽W,加载的两条相互平行的窄缝长心、宽吧，两缝间距为+0.5肌。E形贴片通过宽吧的金属带条与馈电探针相连，图1中是用L形的金属印制带条连接，当然也可以用斜直线、

5、圆弧线形金崩带条连接。印制板厚度为，其与地板间距为H。J底板_E形贴片QzIt|H，馈电探针底板图1天线结构图Fig.1Configurationofantenna如图1(a)所示,E形天线通过L形的金属印制带条连接E形贴片天线与馈电探针，这就方便了实际天线使用中遇到的射频输出位置选择的问题，避免了用电缆走线带来的额外空间要求;除此之外，该金属印刷带条与底板之间组成了微带线结构，可以起到一定的改善阻抗匹配作用，对天线的带宽的拓展有一定的好处。2天线原理E形微带天线通过在矩形微带天线的表面开两条窄缝来改变其表面的电流分布，在矩形微带天线的基础上产生另外一条电流路径，从而实现两个谐振频率，通过调节

6、开缝的位置和尺寸,将两个谐振频率调节到合适的相邻位置,构造出了双峰谐振特性，从而获得了天线的宽频带特性，其等效电路如图2所示。图2E形贴片的双电流路径及其等效电路图Fig.2DoublecurrentpathsofE-shapedpatchandequivalentcircuitdiagram图2中的等效电路(a)和(b)分别对应了E形微带天线的较高谐振频率(./；)和较低谐振频率0)的等效电路,(a)与普通矩形贴片的等效电路相似,电流直接沿贴片的宽度方向流动，对应E形贴片天线中间部分的直线型电流路径，并决定了/，和C的取值，可用来确定儿；在矩形贴片上加载了两条相互平行的双条窄缝，因其而产牛.

7、的围绕着缝隙的流动电流路径，该电流路径较长,对应若在图2(a)中附加了一个电感增量/，,形成了如图2(b),可用来确定了7；。通过调节和两个谐振频率的相邻程度，可以形成双峰谐振特性，从而构造出宽频带特性。人和7；可以由图1中E形天线的各部分尺寸大致确定，其表达式如下(0(071A,2(L,x2+吧)fC。_C。人-人h一2阳式中,C。是光速(3xl08是等效介电常数,兀是/对应的波长人是。对应的波长。图1中的等效介电常数G可以通过介质基板介电常数(马)和空气层介电常数(=1)的综合计算得到.其近似计算式口1为(2)C。本文天线的介质板选用低成本的FRT,其标称介电常数&为4.4,将参数

8、代入式(3)可得e/+0.227()根据式(4),当/从3mm变化到8mm,则等效介电常数5的值从1.24变化到1.09。3天线参数分析及设计实例X寸于频率范围1.41.55GHz的设计实例，按照E形天线典型的双底型电压驻波比曲线，设计两个邻近谐振频率分别为山=1.44GHzJ；=1.51GHz。通过式(1)和式(2),设计了为5、6.5、8时的设计参数，如表1。表1本文天线在不同H值时的设计参数(mm)序号HW1586.4543.626.589.5545.23891.1546.0Table1DesignparameterwithdifferentHvaluesofthepresentante

9、nna(mm)由表1参数代入到图1的天线模型中"值的大小可暂取。5A,代入，通过仿真电压驻波比值及范围进行优化调整，故乙的初值取为90mm。对图1中各参数优化设汁后，可得电压驻波比曲线如图3。图3本文天线实例在不同H值下的电压驻波比曲线Fig.3VSWRcurveswithdifferentIIvaluesofthepresentantennaexample由图3可知，在天线剖面高度较低的情况下，随若天线体与底板间距的增加，天线的阻抗带宽也会随之增加，n.电压驻波比值也会相对较好。在本文给出的该型天线的实际应用中,经常会遇到限定了安装空间和射频输出口的位置的设计要求，为此，不得不在限

10、定的尺寸情况下进行天线的设计，并且要满足增益、波束宽度、后瓣电平等多方面的综合指标要求，同时，天线罩也会对天线的性能造成一定的影响，在设计时就要进行综合考虑。本文的设计实例的输入条件如下：1）工作频率：（1.41.55）GHzo2）电压驻波比：2。3）增益：N5dBio4）安装空间：110mmx88mmx9mm（长x宽x高）o5）射频输出位置：以中心点，坐标（52mm,30mni）°6）天线罩材料:玻璃钢，厚度2mm。4天线仿真和实测结果4.1天线实例仿真设计及性能分析根据设计实例的输入条件，天线安装空间仅相当于0.51Ax0.41AxO.037A（A为低端波长）的电尺寸空间，天线与

11、天线罩的间距很小，仅能保证1mm左右的间隙，因此，在设计时必须考虑天线罩的影响。按照表1中H=5mm间距情况的参数进行了仿真优化，最终得出了符合要求的天线参数:H=5mm、“=78mm、L=68.5mm、虻=4.5mm、L,=35.5mm,印制板底板大小为108mmx86mm,考虑到天线要求较低的剖面高度，除了减小间距外,底板的以度也要尽可能的薄，为此选用1mm的底板以度的铝板，并对天线底板的侧面折边处理以增强结构的刚性，并用了9个非金狷的支撑柱固定底板与印制板，其结构如下图:(b)1.52GHz图5低、高端谐振频率的电流分布图Fig.5Currentdistributingfiguresof

12、thelowandhighresonantfrequencies图6设计实例的仿真.电压在波比曲线图Fig.6SimulatedVSWRgraphofthedesignexample(a)I41GHz的范围为1.41.56GHz,满足设计要求，相对带宽为10.8%o考虑到设计实例的安装尺寸较小，具有小型化的特点，底板是经过折边的，折边高度为3mm,图5中给出了有无折边情况的电压驻波比仿真曲线；同时由于考虑设计实例安装于2Xx2X的较大安装平台上，图5给出了安装情况下的仿女电压驻波比ffip直炸安本文天?£无折边天线本文天线安装在以边长底板上频率/GHzO«|5O-5O-13

13、2廿器投庄图7设计实例的仿真增益曲线图Fig.7Simulatedgaingraphofthedesignexample束:宽度变窄，从而能够提升增益，这也与图7中的结果相吻合。-15-20-180-135-90-4504590135180角度/度图8设计实例的仿真方向图Fig.8Simulatedpatternsofthedesignexample由图6、图7、图8中天线有无折边对电性能综合影响分析，折边会改善天线的低端增益,抑制背瓣电平，吐对天线电压驻波比影响不大,所以选择了折边情况作为本文天线的设计实例的最终方案。图9给出了本文天线在:安装于较大底板后的后瓣情况仿真曲线，安装后对后瓣的改

14、善较大，后瓣主图9设计实例背瓣i:瓣比的仿真曲线Fig.9Simulatedgraph<>ftheback-frontratioofthedesignexampleEQp/e裕B4X4.2天线实测结果及分析对图4天线进行了实物加工，经过调试使得天线的阻抗带宽与指标相吻合。采用AgilentE5062A矢量网络分析仪进行了实际测试，图10给出了本文天线的实测电压驻波比曲线,天线在(1.41.55)GHz的VSWR<2,相对带宽10.8%。图10天线电压驻波比的实测曲线Fig.10MeasuredVSWRgraphoftheantenna宽带E形微带天线的阻抗带宽通常可达30%以

15、上，但都是厚基板型，其剖面高度通常在0.1入(低端波长)以上，文献8给出的低剖面£形天线的剖面高度为0.0344入，获得9.5%的阻抗带宽。而本文天线的剖面高度仅为0.0326入，获得了10.8%的阻抗带宽，天线体与底板的间距仅为0.0233入。在电波暗室对实物天线进行了增益和方向图测试，得到如图11所示的天线增益曲线和图12所示的天线在1.4GHz、1.48GHzJ.55GHz处的H面和E面方向图。由图11的天线增益曲线可知，天线在阻抗带宽内的增益均大于5dBi,平均增益在6dBi左右。1351.41.45151.551.6犊率心Hz图11天线实测增益曲线Fig.11Measure

16、dGaingraphoftheantenna由图12(a)给出的H面方向图的波束宽度相当，在80。85。范围内，低端的方向图往右侧倾斜(馈点方向)，这是由于馈电微带导致的不对称结构导致的;如图12(b),天线的E面方向图形状在给出的频点较一致，波束宽度变化不大，在58。68。范围内，低端天线的方向图往右侧(馈点方向)倾斜,也是山于馈电微带导致结构不对称造成的。图12天线实测E面和H面方向图Fig.12MeasuredpatternsofEandHplanes本文实物天线由于尺寸小、剖面低，在研制的时候为了避免出现局部的突起而导致整体剖面的增加，完全杜绝了金属紧固件的应用，对于需要连接的地方采用

17、环氧树脂胶接的方式，因此，天线具有轻型化的特点，整个天线重量约58go5结论本文对E形微带天线的低剖面和宽，带特性进行分析，通过仿真实例验证了天线的宽带特性受制于其剖面高度;通过仿真实例的设计优化，得到较小的特定安装环境下满足指标要求的天线的参数，为了增强地面的刚性，对天线底板进行折边处理，并仿真分析了天线折边对综合典型的提升，同时对天线装于较大平台上电性能的变化进行了仿真分析;对天线实物测试，获得r超过io%的阻抗带宽，增益>5dBi,天线的剖面高度仅为0.0326人；同时天线具有轻型化的特点。参考文献1 WeigandS,HuffGH,PanKH,elal.Analysisandde

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20、ntermeasures,2011;115(3)：47515王玉峰，徐俊梅，张明芳，等.一种巾联馈电E形高增益微带天线.通信对抗，2013；l21(l)：46T9WangYufrng.XuJunmei,ZhangMingfangvelal.AserialfeedE-shapedmicrostripantennawithhighgain.CommunicationCounler-measures,2013;l21(1)：46496OoiBL,QinShen,IongMS.NovelDesignofbroad-bandstackedpatchantenna.IEEETransactionsonAn

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22、.BandwidthenhancementmethodforlowprofileE-»hapedmicrostrippatchantennas.IEEETransactionsonAntennasandPropagationf2010；58(7)：24422447ADesignandManufactureofE-shapedMicrostripAntennawithLowProfileandLightWeightZHANGGuang-sheng,WANGYu-feng,CHANGLei(No.36RwarchInstituteofCETCJiaxing,Zhejiang314033,

23、P.R.China)AbstractAE-shapedmicrostripantennawithlowprofileandlightweightisdesignedandmanufactured.AccordingtothemostlyrelatedanalysisofE-shapedantenna'selectricalperformanceandprofilethickness,theantennadesignattentionpaystobothlowprofileperformanceandbroadbandcharacter.Themicrostirplinefeedingm

24、ethodisconvenieniewtforoutputpositionsetting,whichmakestheantennadesignhandier.Thesideoftheantennagroundispuckeredtostrengthentheantennastructureandexpandthesizeforenhancingtheantennagain.Aftermanufactureandmeasurementofthedesignantenna,over10%relativeimpedancebandwidthisachievedandantennagainismorethan5dBi.Theantennaalsohasthecharactersofminiaturesizeandlightweight.KeywordsE-shapedantennalowprofileminiaturelightweight(上接第71页)AnIntegrityMonitoringAlgorithmBasedonShewhartControlChartYANGLei-jun11GUOCheng-jun