一种新型双频双圆极化微带天线讲解Word下载.docx
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2天线设计
天线的结构如图1所示。
该天线由工作在两个频段的方形微带贴片层叠起来,形成双频圆极化天线。
物理尺寸较小的微带贴片放在上层，物理尺寸较大的微带天线放在下层。
探针通过下层贴片上的钻孔连接到上层贴片上，下层贴片是上层贴片的寄生单元，通过上层贴片电磁耦合馈电。
上层贴片辐射较高频率，下层贴片辐射较低频率，上层的贴片
辐射时，下层贴片作为它的接地面；
下层贴片辐射时，上层贴片作为电感性耦合元件，天线的等效原理图如图2所示，f2分别为两个贴片的谐振频率。
天线上下介质均采用介电常数；
=3.5，损耗角正切
tan厂-0.001的F4B-2材料，上层介质和下层介质的厚度分别为hi，h2。
图1天线结构图
单点馈电的圆极化微带天线利用简并分离元微
扰技术，在普通圆形微带天线的基础上，加入微扰
形成简并分离，适当调节微扰量，使天线产生两个正交极化波的简并模，其中一个模电压的相位比另一个模的模电压超前90°
，这样在远场区就形成了圆极化。
本文采用在方形贴片上开槽的方式来实现圆极化辐射，其中，在下层贴片上沿x轴方向开槽，
如图1（a）所示，以实现在低频工作时的右旋圆极化辐射；
在上层贴片上沿y轴方向开槽，如图1（b）所示，以实现天线在高频工作时左旋圆极化辐射。
天线采用50Q的铜轴线来馈电，馈电点位置在正方形贴片的对角线上。
采用基于有限元法的商业软件AnsoftHFSS10.0对该设计进行仿真，得到了一些有用的仿真结果。
通过大量的仿真发现，天线在低频端的谐振频率主要取决于L1，在咼频端的谐振频率取决于参数L2，天线
的驻波比随L1,L2的变化关系如图3,图4所示。
L1=42mm
L1=44niin
Ll=Wnin
10
1.S
L2=42mm
L2=46mm
JJ
1
"
.\
\fJJ
I
3天线驻波比随L1变化曲线
30
11.2141&
1.6
图4天线驻波比随L2变化曲线
天线在低频端的轴比主要取决于Ls1和馈电点
的位置，在高频段的轴比主要取决于Ls2和馈电点的位置。
经过优化设计，天线的具体参数如表1。
表1天线结构基本参数
L/mm
56.8
L2/mm
45.4
Ls/mm
5.2
6
Ws/mm
2
Ex/mm
11.6
LRmm
80
Ey/mm
h/mm
3
h2/mm
2.7
图2天线等效原理图
由于天线的参数比较多，在确定初步设计时，可以利用文献［5］中对于单片方形圆极化贴片天线设计公式计算天线各参数的初步值，得到初步值之后，
3结果与分析
在上述的分析下设计并加工了工作于
f1=1.26GHz,f2=1.61GHz两个频段的天线，工作
于f1=1.26GHz时为右旋圆极化，工作于
f2=1.61GHz时为左旋圆极化。
采用HFSS10.0进行
仿真，并加工了实物，如图5所示。
对实物天线进行了测试，得到该天线工作于f1、f2时的驻波比如图6所示，由图可知，天线在1.261.27Hz,
1.61L1.625GHz两个频段内驻波比皆小于2;
图5天线实物图
SimulationMeasured
频率（GHz）
（b）f1=1615.69MHz
阿斗
2.2.
SimulBtionMeasured
22
2.
i
1.2651.271.275
图7天线的仿真和实测轴比曲线
采用HFSS10.0仿真，天线在两个频段上的增益如图8所示。
由图可以看出，该天线在低频段的增益大于2.5dB，在高频端的增益大于5dB，这说明天线具有较高的辐射效率，但是，天线在高低两个频段的增益相差较大，这是由于在高频段，天线采用的是由探针直接馈电，故增益较高，而在高频段，天线采用的是电磁耦合馈电，故增益较低。
（b）高频段1.61-].625GHz
1.®
牟umuIRtn-
Measured
1.61.6051.E>
11.&
151.E21.625
<
b）f2=1.61GHz
图6天线的仿真和实测驻波曲线
天线的轴比仿真和实测曲线如图7所示，在
1.26L1275GHz，1.61L1.62GHz内，天线的轴比皆小于3dB;
具有良好的圆极化性能。
但是，实测曲线和仿真曲线有一点偏差，这主要是由于加工误差和实测误差而引起的。
SimulBlionMbssu阳d
图8天线的增益仿真曲线
（a）f1=1.26GHz
天线在两个谐振频段上的方向图仿真结果如图
9所示、实测结果如图10所示。
从仿真和实测的方向图可以看出，天线的波束很宽，具有良好的广角性能，因此能适用于卫星定位系统手持终端的系统要求。
-2D
-2M-100D100
Theta（des）
・4・□»
•
（h）八=I引5一繃MlIz
图10天线的实测方向图
D
f1=12&
GHz,Phi=O\
-1WQ1002W
Theta（deg）
（b）f|=l6l5.6aMllznPhi=OP+90°
IMI-WI
图9天线的仿真方向图
4结论
本文采用层叠结构和单点馈电的方法设计了一种双频反向圆极化的微带天线，该天线在1.26L1.275GHz频段内辐射右旋圆极化波，在1.611.6GHZ频段内辐射左旋圆极化波，且具有良
好的广角圆极化性能。
与传统的双频反向圆极化天线相比，该天线采用单点馈电，大大简化了天线结构，降低了制作成本。
因此，这种天线具有良好的实用性和应用前景。
a）f=l268.52MHz
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西安电子科技大学出版社,1991.
作者简介：
曹宜森，男，硕士，主要研究领域为天线技术。
一种用于海事卫星通信的微带阵列天线的设计
廖学介1杨宏春2
（电子科技大学应用物理研究所，成都610054）
结合经验公式和仿真软件，设计出了一种用于海事卫星通信系统的圆极化微带阵列天线。
天线采用双层结构，介质基片选择泡沫材料，并采用正方形切角的方式实现圆极化。
利用高频电磁仿真软件AnsoftHFSS对该阵列天线进行了仿真优化。
仿真结果表明，该天线具有良好的宽频带特性，天线在整个海事卫星通信工作频带内驻波比小于1.5，同时天线的最大增益达到13.5dB。
关键词：
微带阵列天线，层叠贴片，圆极化，驻波比
Designofmicrostriparrayantennaformaritimesatellitecommunication
LiaoXuejie1YangHongchun2
（InstituteofAppliedPhysics,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu610054）
Acircularlypolarizedmicrostriparrayantennaformaritimesateltecommunicationwasdesignedbycombiningtheexperimentalformulaeandthesimulationsoftware.Adual-layerstructurewasproposed,andthefoamwaschosenasthemediumsubstrate,theantennaiscircularly-polarizedbycorner-truncatedsquarepatch.TheAntennadesignedwassimulatedandoptimizedbyHFSS.Thesimulationresultsshowthatthisantennahasgoodwidebandcharacteristic.TheimpedancebandwithforVSWR<
1.5inthewholeINMARSAT（InternationalMaritimeSatelliteOrganization）communicationworkbands,andthemaximalgain13.5dBisalsoachieved.
Microstriparrayantenna;
Stackedpatch;
Circularpolarization;
VSWR
BGAN是宽带全球局域网（BroadbandGlobalAreaNetwork）的英文缩写，是国际海事卫星组织（Inmarsat）提供的第四代全球移动卫星通信系统。
该系统的接收和发送频率分别为1525~1559MHz和1626.5~1660.5MHz。
为了收发共用一个天线，候选天线的工作频率应为1525.0~1660.5MHz，其百分比带宽为8.5%。
海事卫星通信天线采用微带天线的结构是一种合理的选择。
这是由于微带天线具有地剖面、体积小、重量轻，并且较易实现圆极化和多频段工作等优点。
然而常规的微带天线带宽较窄，无法满足这种要求。
展宽带宽的方法很多，基本方法是降低微带基板材料的相对介点常数，增大微带基板的厚度，从而降低谐振Q值，其他的方法还有附加寄生贴片和采用双层、多层结构[3]，电容耦合馈电技术[4]，缝隙耦合馈电技术[5]，天线阵技术[6]等。
目前海事卫星移动终端天线主要采用微带功分网络对各阵元等功率馈电。
由于使用微波介质材料的成本较使用泡沫材料的成本高，为了克服这个缺点，本文设计了一种低成本、易加工并且符合BGAN业务要求的宽频带微带阵列天线。
该天线采用双层正方形微带贴片天线的形式拓宽天线的阻抗带宽，采用切角的方式实现圆极化特性。
2天线的结构和初步设计
设计的单元天线结构如图1所示。
上下两层贴片同心层叠放置。
下层贴片作为激励单元，是边长为li、三角形切角直角边长为Ci的正方形，其谐振
频率较低。
下层贴片作为寄生单元，是边长为J三角形切角直角边长为C2的正方形，谐振频率较高。
激励单元与地面之间是厚度为介电常数为i的
介质。
两贴片单元之间是厚度d2、介电常数为2的
适当选择li、I?
、&
、C2、di、d?
、；
.：
1、t：
2等参数可调整这两个频率，使其适当接近，从而形成频带适应展宽的双峰谐振电路。
上下两层介质均选用低介电常数泡沫材料支撑并组成天线阵以展宽带宽和提高增益。
图1天线单元结构示意图
双层微带天线阵的结构十分复杂，要得到精确的分析结果，必须用严格的全波分析法进行分析。
然而在实际的工程中，往往利用一些经典公式[1,2]初
步确定天线的尺寸，获得单元天线设计的起点。
设激励单元和寄生单元的谐振频率分别为fi和f2,贴片
形状为正方形，则有
（1）
--0.264
UL=0.412ad?
——萄-0.258土+08
dei
（3）
de2
de1=d1
de2=4d2
其中，c为自由空间中的光速，i=1,2。
根据上述公式，选择介质基板的厚度和介电常数，便可以确定单元贴片的大小。
然后利用全波分析软件AnsoftHFSS，对天线阵进行仿真得到工程需要的参数要求。
最后单元天线的设计参数如下：
h=86mm,b=76mm,C1=19mm,C2=17mm,d1=d2=6mm,
1=；
2=1.05
微带天线单元的增益一般只有6~8dB。
为了获
得更大的增益，或为了实现特定的方向性，常采用由微带辐射元组成的微带阵列天线。
所以，这里采用4个单元天线来组成2乘以2的平面阵，设计的天线阵和功分网络示意图如图2所示。
根据经验⑺，
阵元间距为半个波长时，增益特性比较好。
但是天线单元之间互耦严重，可能影响阻抗匹配。
单元间距大一些，可以减少互耦对天线阵性能的影响。
天线采用并联等功率馈电，馈电网络和下层贴片位于同一层。
馈线的长度和宽度的初始值由ADS仿真软
件中的传输线计算工具算出。
然后在HFSS软件中优化得到最后结果。
CaJ天线阵
ifliLZ.'
.
⑹功分网图
图2天线阵和馈电功分网络示意图
4fl
图4天线在1609MHz的增益方向性仿真结果
3天线阵的仿真结果
图5天线在1609MHz的轴比仿真结果
图3天线回波损耗仿真结果
天线阵的仿真结果如图3~5所示。
图3是天线
回波损耗Sii仿真结果，在整个工作频带内，回波损耗大于10dB，最低点出现在1609MHz，与设计的中心频率1590MHz接近。
由于设计的双峰频率接近，频带展宽后使得仿真结果呈现单峰。
中心频率处的增益方向性如图4所示，天线具有较好的主瓣方向性，副瓣电平和后瓣电平都比较低，天线阵增益为13.5dBi。
图5为中心频率处的轴比仿真结果，从图中可以看到天线在B角从-60度到+60度的范围内轴比小于6dB,在工程上可以认为是圆极化的工作方式。
设计了一种应用于BGAN通信系统下的地面移动终端天线，天线在整个海事卫星通信工作频带内有较好的特性，驻波比小于1.5,增益高于13dB。
该平面阵列天线具有成本低廉，加工简单，适合大批量生产制作等优点，其结构很容易与载体的表面融为一体。
例如，可贴在建筑物的外表面上，和船舶、车辆、飞机等交通工具的外壳上。
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[2]薛睿峰，钟顺时微带天线圆极化技术概述与进展[J].电波科学学报，2002,17（4）:
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[7]邰佑诚,栾秀珍,金珍等.天线与电波传播[M].大连海事大学出版社.2002
廖学介，男，硕士生，主要研究领域为电磁场与微波技术。
杨宏春，男，副教授、硕士生导师，主要研究领域为电磁场与微波技术等。
分形圆极化双频微带天线
林澍1，2韩雪2李文军2杨彩田2邱景辉2王进祥3
（哈尔滨工业大学电子科学与技术博士后科研流动站，哈尔滨150080）1；
（哈尔滨工业大学电子与信息工程学
院，哈尔滨150080）2；
（哈尔滨工业大学微电子科学与技术系，哈尔滨150080）3
研究了一种单馈点右旋圆极化双频微带天线。
通过双层贴片实现双频，微带贴片采用Crown方形分
形结构，通过激励起两个相互正交的简并模实现圆极化。
采用CSTMWS?
软件进行仿真，结果表明在微带贴片的对角线临近区域用探针馈电，可以实现圆极化辐射。
用FR4材料做介质基片制作了天线实物并进行测试，该双频天线在1.616GHz和2.49GHz两个频点处，阻抗带宽（VSWR<
2）为2.4%，6dB轴比带宽为2%，增益0dB以上，实验结果与仿真结果基本吻合。
微带天线，圆极化，分形，双频
AFractalCircular-PolarizationandDual-FrequencyMicrostripAntennaLinShu1,2HanXue2LiWenJun2YangCaiTian2QiuJingHui2WangJinxiang3（ElectronicScienceandTechnologypost-doctoralresearchcenter,HarbinInstituteofTechnology,Harbin,150080,12China）；
（SchoolofElectronicsandInformationEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin,150080,China；
）3
（DepartmentofMicroelectronicsScienceandTechnology,HarbinInstituteofTechnology,Harbin,150080,China）Abstract:
Arightcircular-polarizationanddual-frequencymicrostripantennawithsinglefeedingpointispresented.Double-patchisusedtoachievedual-frequency.ThemicrostrippatchhasCrownfractalstructurewhichgeneratestwoorthogonalmodestor
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