一种Ku波段宽带微带天线的设计

一种Ku波段宽带微带天线的设计

第3 5卷第 l期21 0 2年 1月

合肥工业大学学报 (自然科学版)J OU RNAI OF E H FEIUNI VERS TY CHNOLOGY I OF TE

Vo . 5 NO 1 13 .

J n 2 l a 0 2

Do:0 3 6/.sn 1 0—0 0 2 1 . 1 0 6 i1 . 9 9 ji . 0 35 6 . 0 2 0 . 1 s

一

种 Ku波段宽带微带天线的设计王鹏，李民权。付 , 灿 金秀梅，203) 3 0 9 2 61;2安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室， 40 1 .安徽合肥

(. 1安庆师范学院物理与电气工程学院，安徽安庆

摘

要：文章给出一种新型结构的 Ku波段宽频带微带天线的设计方法。在接地板上开 H型缝隙进行耦合

馈电，并在辐射贴片表面开矩形缝隙以扩展带宽，在天线的底面加反射板以提高增益、改善天线方向图的前后比性能。用高频仿真软件 HF S进行仿真优化， S结果表明该结构天线具有良好的宽频谐振特性，回波损其耗小于一1 B阻抗相对带宽高达 3., 0d . 9 8交叉极化电平小于一2 B前后比优于 1 B 8d, 9d。关键词： Ku波段；宽频带；微带天线；耦合馈电中图分类号： TN83 2文献标识码： A文章编号：035 6 (0 2 0—0 20 10—0 0 2 1 )10 6—4

De i n o d b n i r s r p a t n a a - n sg fa wi e a d m c o t i n e n t Ku ba dW ANG n , LIM i- u n, F Ca。 J N ume。 Pe g nq a U n, I Xi- i( . h o fPh sc n e to cEn ie rn 1 Sc o lo y isa d Elc rni gn eig,Anqn r a nv r iy ig Nom lU iest,Anqn 4 01 ig 2 6 1,Chn ia;2 Ke b r tr fI tlg n . yLa o ao yo n el e t i Co p tn n in l o esn fM i sr fEd c t n,An i ie st m u iga d Sg a Pr c s igo nityo u ai o hu Un v riy,Hee 3 0 9,Chn ) fi2 0 3 ia

Ab ta t A o e e in a p o c f h d b n ir s r

a c n e n tKu b n r s n e n sr c: n v l s p r a h o ewie a dm co ti p th a t n aa— a di p e e t di d g t p s tip pr h s a e .Th o p ig fe sm a eb s a e p ru e n t eg o n ln . Two n ro so s ec u l e d i n d y H—h p d a e t r si h r u d pa e a r w lt a ee c e n t er da ig p t h t x a d b n wit .Th e lco n t eb to ft ea t n ai r th d O h a itn ac o e p n a d d h er fe t ri h o tm o h n e n s u e oe h n et eg i n mp o et e fo tt— a k r to Th n e n sa ay e n p i ie s d t n a c h an a d i r v h r n—o b c a i. e a tn a i n l zd a d o t zd mb h i h f e u n y s u a i n s fwa e H F S Th i u a i n r s ls s o t a h s s r c u e o v t e h g r q e c i lto o t r m S . es m lto e u t h w h tt i t u t r f

a tn a c n efciey i p o et ewi e a d r s n n eo h c o ti n e n .Th n e n a — n e n a fe t l v m r v h d b n e o a c f emir srp a tn a t ea tn ac n a c iv 9 8 h e e3 . i e a c a d d h wi eu n 1S e st a一 1 B a dac o sp lrz to e e mp d n eb n wi t t ar t r O Sls h n h 0 d n r s oa ia in lv l

ls h n一 2 B Th r n—o b c ai ft e a tn a r dain p te n i b te h n 1 B e st a 8d . efo tt— a k rto o h n e n a ito at r s et rt a 9 d . Ke r s K ub n;wi e a d;m ir srp a tn a o pi g fe ywo d:— a d db n co ti n e n;c u

l e d n

微带天线的概念最早是由德尚教授 ( G.A.

低介电常数或损耗较大的材料，将介质基片变或形成梯形或楔形，可以采用非线形材料如铁氧还

D shmp)出的， eca s提由于其体积小、量轻、面质剖低、且易于加工和电路集成等诸多优点，雷达和在

体介质；对于辐射贴片和接地板，在其上开②可

通信领域得到了广泛的应用。但是其固有的频带窄，功率容量低，限制了在诸多方面的应用l。近 _ 1]年来许多国内外学者针对如何扩展微带天线的带宽问题做了大量研究，提出了许多行之有效的也

缝以降低天线 Q值，或采用多层贴片谐振；对③于馈电方式，选用耦合馈电方式，加阻抗匹配可增网络等。在一般情况下，以根据天线的实际可应用场合，活采用多种扩展天线带宽的方法，灵以

方法。具体可以归纳为以下几个方面[:对于 2①]微带天线的介质基板可采取增加基板厚度，使用

达到满意的效果。 本设计采用口径耦合馈电方式以扩展天线带

点01 - 8 1 : 10 8 2基金项目：然科学研究基锺资助项目(— 0 1 0 7干仄 R Zl U国家自然科学基金重点资助项目 (0 3 0 2;瓷助项目 6 9 1 0 )安徽高校省级自 ;安徽高校省级自然科学计冗基金里息)助日( J O I U/和安庆师范贫 1 2 1 A 0 )¨¨

学院青年科研基金资助项目( J 0 1 1 K 2 10 ) 作者简介：￣ (9 9,,王 17一)男安徽潜山人，安庆师范学院讲师； 李民权 (9 8,, 1 6一)男安徽砀山人，士，博安徽大学教授，硕士生导师.”…~

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第l期

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鹏，:种 Ku波段宽带微带天线的设计等一

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宽，该方法最早是由文献[3 -提出的。与传统的馈 4电方式如同轴底馈和微带侧馈相比，隙耦合馈缝电方式具有许多优点：实现了微带天线低剖面、紧凑的天线结构，有利于电路的集成；由于馈电部分和辐射贴片不在一个平面上，以有效抑制馈电可

宽度 w取值较大时可以增加天线的带宽，当但 w于一定值时会产生高次模，起场的畸变，大引天线的方向图性能会恶化。有研究表明当贴片的宽度是长度的 2倍时，线的阻抗带宽可以增加

天 16左右。本文在设计时选用了较宽尺寸的贴 .倍片以增加带宽。在贴片的 2宽边处分别开了矩个形窄缝，隙靠近贴片的边缘处且很窄，缝不会对贴片的自身谐振频率产生影响。

结构对天线方向图的寄生辐射影响，合理设置耦合缝隙的结构能够提高天线的阻抗带宽。文献

[] 5利用实验的方法对不同形状的耦合缝隙进行了研究，验结果表明开 H型耦合槽可以获得较实大的耦合量，高天线的阻抗带宽，提改善天线的交叉极化性能；文献[] 6报道了一种使用 H型槽耦合馈电的微带天线获得了宽频带和高增益的良好

效果；文献[] t -,用修改 H型槽结构从而获得了 7 J良好的极化特性和宽频带特性。在以上研究的基础上，文改进了前述单 H本

形槽耦合馈电的天线结构， H型槽耦合馈电的在基础上，辐射贴片边缘处开缝。由于贴片边缘于可缝隙的存在而引入了新的谐振频率点，而更大从程度地展宽了天线的带宽。窄缝结构简单，易容实现。此外，在接地板背面引入微带反射板，以可减小由耦合槽引起的背向辐射，以提高天线的增益和改善天线方向图的前后比。仿真结果表明这种新结构的微带天线在中心频率 1. 4 5GHz能够达到 3 .的阻抗带宽 (<一 1 B) 98 S 0d。这表明该结构能够有效地展宽微带天线的带宽。

金属反射板 ()天线的多层结构图 a

( )辐射贴片 b

l天线结构设计 J

图 1示为这种宽带微带天线结构，由 4所其 层介质和金属贴片构成，图 1所示， 2层介如 a第质是相对介电常数为 1O .6的泡沫塑料，起支撑作用，外 3层介质均是相对介电常数为 22的另 .R g r/ u od5 8 t材料， e— s一 o esRT d ri 8 0(m)即 r o r 2

4t -

降

…一 n 。一 —

接地板

、馈线

s一 2 2一 1O ., .6。天线最上方的介质是天线罩，对天线的辐射贴片起保护作用，它对天线的辐射效率、向图以及增益都略有影响。方 图1 a中的第 2层和第 3层是天线的主体部分。泡沫塑料对附着在其上方的辐射贴片起支撑作用，由于泡沫的相

对介电常数较低，利于展宽有天线带宽，厚度 H对天线的带宽也有影响，其当( )接地板 c图 1微带天线结构示意图

贴片表面开缝可以降低天线的 Q值，利于有电磁波的辐射以增加带宽，且窄缝自身也相当而于一个缝隙辐射器，够产生一个新的谐振频率能点。该谐振频率点由缝隙的长度决定，当与贴片

H增大时，天线带宽增加，但是天线的体积也会增加，因此需综合考虑。 辐射贴片如图 1所示，长度 L决定着贴 b其 片自身的谐振频率，一般略小于/ (为谐振 2频率点对应的介质波长)但是由于耦合缝隙馈电，的使用，使其与理论值存在一定的偏差。贴片的

的谐振频率点靠得很近时，就可以起到展宽频带的作用。图 l所示是一个开有 H型缝隙的接地 c

板， H型缝隙是馈电使用的耦合口径，其结构尺寸对天线的谐振阻抗和谐振频率都有影响。文献[—9的研究表明，训长度增长， 8]、 谐振频率降

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合} __大学学报 ( t z, S l k自然科学版)

第3 5卷

低，振阻抗增加，表明增长缝隙长度，线与谐这馈贴片之间的能量耦合能力增强。 H型槽缝隙的宽度 z、对天线的谐振频率和谐振电阻也有影 响，只不过影响程度小于缝隙的长度。在设计过程中，常为了减少后向辐射，型耦合缝隙的通 H宽度不宜取得过大。 H型缝隙的结构尺寸参数较多，计自由度较大，设需进行大量的仿真优化以获得良好性能。

可见在天线的底面附加一个金属反射板，可以有效抑制天线的后向辐射，改善天线的辐射效率，提高天线的增益。这些结果显示了该结构微带天线具有良好的辐射特性和电路特性，有一定的实具际应用价值。

馈电部分使用 5的微带馈线，图 1所 OQ如 c示，以通过调节开路枝节 f可的长度来获得天线的阻抗匹配。馈线和接地板之间是一层介质基

片，增大介质的介电常数可以提高电磁能量耦合效率。在天线的最下方放置了一个金属反射板， 厚度 H。通常为/, 4这样做的好处是可以减小 H型缝隙耦合馈电带来的后向辐射，改善天线方向图的前后比，提高天线的增益。图 2 s1 l曲线

2仿真及分析

在天线的设计过程中，用高频仿真软件使HF S进行辅助设计。由以上分析可知，天线 S该结构参数较多，先需要了解天线的每个参数对首天线性能的可能影响，在有了定性的认识之后，在 HF S软件中进行仿真优化， S经优化后天线的最终结构尺寸见表 1列。所表 l天线结构尺寸H116 .∞

磐

9l

wO 5 .

(】 aE面方向图

所设计天线的回波损耗仿真结果如图 2所示，由图可知，天线在 l . 6~1 . 5GHz带该 16 74频

要磬

范围内，回波损耗 S一 1 B,< 0d相对阻抗带宽达到了 3., 98为普通微带天线带宽的 8倍，于优仅使用 H型缝隙耦合馈电的微带天线。这表明

在辐射贴片表面开矩形缝隙并使用 H型缝隙耦

合馈电的结构可以有效展宽微带天线的带宽。所设计天线在 1 G的方向图如图 3所 5 Hz 示，给出了天线的 E面和 H面方向图以及各自的 交叉极化方向图。由图 3可知，该天线的交叉极化性能良好， E面和 H面的交叉极化分别优于一

( 0 ) ()H b面方向图图 3天线 E面、面交叉极化方向图 H

3结束语本文提出了一种新型结构的宽频带微带天

3 B和 -2 B;线 E面和 H面的方向图 8d 8d天

前后比大于 1 B和 2 B天线增益大于 8d。 9d 6; d B

线，在辐射贴片边缘上开矩形缝隙，使用 H型缝

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第 1期

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鹏，:种 Ku波段宽带微带天线的设计等一

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(接第 2上 4页 )

W o l n r s& Ex iiin, tot M I rd Co g e s hbto Der i,,US, 0 7: A 205 0 5 8 8— 8.

5结束语本文采用鲁棒性较强且工程易于实现的

[]董小闵， 6余

淼，昌荣，汽车磁流变半主动悬架自适廖等.

应模糊控制研究[] J .中国公路学报， 2 0,1 06 9( ) l 1 l 5 2: 1一 1 .

sy ok控制策略， kho建立等效的 sy o k阻尼模 kho型并进行仿真分析，仿真结果表明采用 sy ok k h o控制策略的电磁阀式半主动悬架明显优于传统被动悬架。

[]陈无畏， 7王志君，范迪彬.汽车半主动悬架的神经网络自适

应控制 _]汽车工程，9 8 2 () 3 - 3 . J. 19,0 1:1 6 [] P r Km, i n t yo e ya i caat i 8 akK, i J Km A s d nt n m c h rc r— u hd est soft ec n iu u l a ibe s o k a s r rf rs mi i h o tn o sy v ra l h c b obe o e— c

通过实车试验，效验证了控制策略的正确有性。由此说明，设计的电磁阀式半主动悬架控所

at edmpn o to ytm[]/ AE 2 0 r n ci a igcnrl se C/ S 0 5Wol C— v s dog e s& Exhbto Der i, I USA, 0: 7— 1 1 . rs iiin, totM, 2 05 1 11 7 9

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S lma M o i n A A. I p o e n fv hcerd ef r D e m r v me to e il ie p ro ma e

(责任编辑

吕杰)

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