天線與電波傳播論文-最新不同種類天線介紹

1、zzu-ie-zd最新不同種類天線介紹本文介紹了幾種不同方面，不同類型的新型天線的設(shè)計(jì)。下面分節(jié)介紹。一、車載低剖面陣列動(dòng)中通天線設(shè)計(jì)Ku波段或更高頻段動(dòng)中通、高速率衛(wèi)星通信已經(jīng)成為一個(gè)主要的應(yīng)用領(lǐng)域。低剖面動(dòng)中通天線裝車高度低，風(fēng)阻小，隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足車載衛(wèi)星天線的迫切要求。根據(jù)車載天線低剖面的新要求，研制了一種高性能、小型化Ku波段雙極化工作的低剖面陣列動(dòng)中通天線，該天線采用低損耗波導(dǎo)陣列的組陣方式，天線陣列設(shè)計(jì)為41長(zhǎng)條結(jié)構(gòu)，應(yīng)用了相控電子波束掃描跟蹤技術(shù)，具有跟蹤方式簡(jiǎn)單，天線效率高等特點(diǎn)。陣列天線及射頻系統(tǒng)為減小天線剖面高度，充分利用天線的孔徑效率，需采用收發(fā)共用的陣列天線，

2、即在同一輻射口面內(nèi)，實(shí)現(xiàn)水平、垂直雙線兩種極化波同時(shí)存在，且每一個(gè)極化都覆蓋接收和發(fā)射頻段。天線輻射單元采用高效率的諧振式波導(dǎo)腔體結(jié)構(gòu)形式，陣列規(guī)模為32×8單元，饋線部分采用帶線加波導(dǎo)組合方式，以達(dá)到低損耗的效果。將天線分為四塊，天線的子陣分布示意圖如圖1所示。每一塊都設(shè)計(jì)有垂直、水平極化的頻率雙工器，進(jìn)行收發(fā)分離。對(duì)于發(fā)射頻段，采用直接合成的方式，通過后端的發(fā)射極化調(diào)整模塊使得天線系統(tǒng)能夠按照任意線極化方式工作。A子陣B子陣C子陣D子陣圖 1 天線子陣分布示意圖對(duì)接收頻段子陣的垂直極化、水平極化信號(hào)分別進(jìn)行射頻放大，輸入到接收極化調(diào)整模塊，通過數(shù)控移相器和數(shù)控衰減器調(diào)整水平極化信

3、號(hào)和垂直極化信號(hào)之間的幅度和相位，然后通過合路器合成輸出，實(shí)現(xiàn)每個(gè)子陣極化調(diào)整。最后通過四合一波束形成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)輸出。將天線陣列、饋電網(wǎng)絡(luò)、LNA、極化調(diào)整模塊和波束形成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，減小了插入損耗，降低天線重量，縮小了天線厚度，提高了天線整體性能。陣列天線射頻部分工作原理框圖，如圖2所示。使用HFSS高頻仿真軟件建模進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的陣列天線結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。通過HFSS仿真得出典型的方位和俯仰方向圖如圖4所示，圖中，EL為陣列天線俯仰方向圖，AZ為陣列天線方位方向圖。由仿真方向圖可以看出，方位面波束寬度約為1°，俯仰面波束寬度約為4°。方位面波束較窄，等效

4、為1.5m 拋物面的波束特性。一般情況下，赤道上空的現(xiàn)有同步通信衛(wèi)星分布間隔為2°，由仿真的方向圖可見，在偏離2°時(shí)，已經(jīng)偏離到天線的主波束以外，天線在該方向的增益衰減較大，這對(duì)減小相鄰星干擾具有重要作用。設(shè)計(jì)制造的低剖面陣列動(dòng)中通天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片如圖5所示，天線座采用AE型轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)，俯仰工作范圍可達(dá)0°90°。設(shè)計(jì)的天線罩外形直徑尺寸為圖 2 射頻工作原理框圖圖 3 雙極化陣列天線仿真模型圖 4 典型的方位和俯仰方向圖1300mm，剖面高度僅為298mm，天線較高、中輪廓天線具有明顯的外觀優(yōu)勢(shì)，在提高載車的機(jī)動(dòng)性、減小風(fēng)阻方面具有重要作用。圖 5 低

5、剖面陣列動(dòng)中通天線照片二、基于非對(duì)稱U 型槽的GPS 微帶天線GPS微帶天線結(jié)構(gòu)如圖6所示，非對(duì)稱U型槽的作用在于實(shí)現(xiàn)圓極化工作和減小天線的尺寸。天線的介質(zhì)材料仍然為FR4，介質(zhì)基板的厚度h=3mm。在圖6中，非對(duì)稱U型槽除了左、右2個(gè)臂長(zhǎng)UL，UR是不相等的以外，貼片沿著yz平面是對(duì)稱的，通過調(diào)整非對(duì)稱U型槽的2個(gè)臂長(zhǎng)UL和UR，天線可獲得良好的圓極化特性，如果ULUR，則天線為輻射左旋圓極化波(left-handed circular polarization，LHCP)；如果ULUR，則天線為輻射右旋圓極化波(right-handed circular polarization，RHCP

6、)。圖 6 天線結(jié)構(gòu)為了獲得好的性能，借助仿真軟件進(jìn)行參數(shù)掃頻分析，非對(duì)稱U型槽天線的設(shè)計(jì)可以先從對(duì)稱U型槽天線設(shè)計(jì)入手，然后，將對(duì)稱U型槽的一條臂逐漸縮短來完成設(shè)計(jì)。本文中所設(shè)計(jì)的天線是為了達(dá)到右旋圓極化，所以ULUR。為了方便，在調(diào)試過程中，保持非對(duì)稱U型槽的寬度w=1mm不變。改變UL臂的長(zhǎng)度，對(duì)天線回波損耗S11的影響如圖7所示。同樣，UL臂的長(zhǎng)度變化也會(huì)對(duì)天線的AR產(chǎn)生影響，如圖8所示。若選用UL=UR=17mm，此時(shí)是對(duì)稱U型槽，天線的回波損耗S11特性比較差，幾乎沒有S11<-10dB的阻抗帶寬，天線也不存在圓極化特性，然后，逐漸縮短UL，當(dāng)UL大于或小于一定值(UL=11

7、mm) 時(shí)，天線的阻抗帶寬都變窄(見圖7) ；圖8中，隨著UL的逐漸變短，由AR最小值所確定的頻率向高頻段偏移，且當(dāng) 17 / 17圖 7 S11隨UL的變化關(guān)系圖 8 AR隨UL的變化關(guān)系UL=1mm時(shí)，非對(duì)稱U型槽變成了L型槽，天線仍然有圓極化特性，但回波損耗值增加，天線已經(jīng)無S11<-10dB的阻抗帶寬了。經(jīng)過仿真分析，最后確定天線的尺寸為接地板大小為59mm×59mm；介質(zhì)基板尺寸為59mm×59mm×3mm；正方形貼片邊長(zhǎng)L=41mm；非對(duì)稱U型槽的尺寸為UL=11mm，UR=17mm，Uc=9.4 mm，到貼片邊緣的距離d=15mm，寬度w=1m

8、m；饋電點(diǎn)dp=3.8mm。天線性能仿真結(jié)果如圖9圖13所示。圖 9 天線S11仿真結(jié)果圖 10 天線AR仿真結(jié)果圖 11 天線AR空域分布特性仿真結(jié)果圖 12 天線RHCP方向圖仿真結(jié)果圖 13 天線LHCP方向圖仿真結(jié)果圖9中，天線在中心頻率f0(1.575GHz)處的回波損耗S11為-14.7dB，阻抗匹配良好；-10dB阻抗帶寬為81MHz(1.5301.611GHz)，滿足GPS接收機(jī)天線對(duì)阻抗帶寬的要求。天線的右旋圓極化軸比AR如圖10所示，天線在中心頻率處的AR為1.19 dB，天線的圓極化特性良好，3dB圓極化帶寬為21MHz(1.5621.583GHz)。天線的圓極化空域分布

9、特性如圖11所示，天線E面(=0°)的3 dB空域覆蓋達(dá)143°(-76°67°)，天線H面(=90°)的3dB空域覆蓋達(dá)176°(-90°86°)，可見天線獲得了非常好的廣角圓極化特性。天線的RHCP和LHCP方向圖特性如圖11和圖12所示，天線的增益可達(dá)1.66dB，在整個(gè)上半平面(-90°90°)，天線的增益大于-7.5dB。E面3dB波束為98°(-49°49°)，H面3dB波束為95°(-47°48°)，E面的3dB波束范圍比

10、H面的略寬，這是因?yàn)檠刂鴛方向的槽的長(zhǎng)度比沿著y方向的槽的長(zhǎng)度要短些；在波束范圍內(nèi)都具有很好的右旋圓極化特性，該天線具有穩(wěn)定的輻射特性。E面上，在=0°方向上，RHCP電平大于其交叉極化LHCP的電平23dB，在-75°66°時(shí)，RHCP電平大于LHCP電平15dB以上。H面上，在=0°方向上，RHCP電平大于其交叉極化LHCP的電平23dB，在-90°85°時(shí)，RHCP電平大于LHCP電平15dB以上，可見，該天線具有較強(qiáng)的抑制交叉極化和抗多徑干擾的能力。根據(jù)仿真優(yōu)化后的模型對(duì)天線進(jìn)行加工，天線實(shí)物如圖14所示。天線的金屬接地板與輻

11、射貼片均采用厚度為0.035mm的黃銅片，天線采用內(nèi)軸的直徑為1mm，阻抗為50的同軸饋電，其回波損耗特性S11采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，圖15為天線的S參數(shù)測(cè)試結(jié)果。與仿真結(jié)果相比，諧振頻率向低頻稍微偏移，阻抗帶寬特性良好，在實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的同時(shí)，該款天線能正常工作在中心頻率1.575GHz附近的GPS頻段中。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的天線較適合應(yīng)用在GPS終端設(shè)備中。圖 14 天線實(shí)物圖 15 天線S參數(shù)測(cè)試結(jié)果三、基于貼片組陣的微帶天線礦難發(fā)生后第一時(shí)間獲取事故現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)信息，是快速制定救援方案，贏得寶貴救援時(shí)間的關(guān)鍵。針對(duì)礦難救援現(xiàn)場(chǎng)對(duì)無線通信節(jié)點(diǎn)的實(shí)際要求以及節(jié)點(diǎn)本身結(jié)構(gòu)上的限制，通過反

12、復(fù)試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比，設(shè)計(jì)了一種對(duì)稱貼片組陣微帶天線結(jié)構(gòu)。從井下救援環(huán)境對(duì)天線的特殊要求考慮，本文采用雙面PCB貼片天線， 其與一般的微帶貼片天線相比，輻射強(qiáng)度增大，使得數(shù)據(jù)的傳輸速率和傳輸距離能夠達(dá)到所需的要求，其天線結(jié)構(gòu)如圖16所示。在介質(zhì)板（r=4.4）的兩面分別印制圖上所示結(jié)構(gòu)。圖 16 天線結(jié)構(gòu)其實(shí)際上采用的是二元陣列的方式，在普通貼片的基礎(chǔ)上，將多個(gè)貼片并聯(lián)起來，原理如圖17所示。采用50的SMA頭。圖 17 貼片組陣其中貼片的長(zhǎng)L=c2frr+12-12貼片的寬W=c2fre-2L式中fr諧振頻率e有效介電常數(shù)，由于邊緣場(chǎng)的影響，在設(shè)計(jì)寬度W的尺寸時(shí)應(yīng)減去2L。本文采用三維電磁仿真軟件

13、HFSS進(jìn)行天線的設(shè)計(jì)，通過反復(fù)的優(yōu)化和修改，得到天線的尺寸數(shù)據(jù)如下：L1=49.4mm，L2=23mm，L3=6.8mm，L4=9.1mm，L5=6.8mm，W1=4.8mm，W2=4.1mm，W3=0.5mm，W4=1mm。通過實(shí)驗(yàn)得出，所研制的貼片組陣微帶天線已經(jīng)接近外置天線的效果，好于普通貼片天線，能夠較好地滿足救援現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行視頻與環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。與外置天線相比，貼片組陣微帶天線體積小、功耗低，便于移動(dòng)機(jī)器人的攜帶和現(xiàn)場(chǎng)快速布放。四、新型共形微帶準(zhǔn)八木天線本節(jié)設(shè)計(jì)了一款新型的平面微帶準(zhǔn)八木天線，并將其與圓柱面共形。利用電磁場(chǎng)仿真軟件(High Frequency Structure

14、Simulator, HFSS）對(duì)天線單元進(jìn)行了仿真，研究了引向器的數(shù)量和尺寸、輻射偶極子的形狀等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線性能的影響，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了符合應(yīng)用要求、性能良好的設(shè)計(jì)結(jié)果。最后根據(jù)仿真參數(shù)將天線加工成實(shí)物，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。平面微帶準(zhǔn)八木天線的結(jié)構(gòu)如圖18所示。本天線采用單面微帶結(jié)構(gòu)，與普通八木天線的結(jié)構(gòu)基本相同，天線由輻射振子、反射器、引向器組成。不同的是，用天線接地面做反射單元，通過實(shí)驗(yàn)證明接地面起到了良好的反射作用。本節(jié)采用共面波導(dǎo)(Coplanar Waveguide CPW)直接饋電，不但能簡(jiǎn)化饋電網(wǎng)絡(luò)，減小天線尺寸，還能增加天線阻抗帶寬。圖 18 平面天線結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)

15、八木天線的設(shè)計(jì)原理，天線振子的長(zhǎng)度應(yīng)該在0.450.48eff ，引向器的長(zhǎng)度應(yīng)該在0.40.45eff ，引向器與振子之間的距離應(yīng)該在0.10.3eff ，引向器之間的距離應(yīng)該在0.150.4eff ，eff為工作波長(zhǎng)。天線的諧振頻率主要由天線振子的長(zhǎng)度決定，本文所設(shè)計(jì)天線的諧振頻率設(shè)定在900MHz左右。天線選用厚度0.2mm相對(duì)介電常數(shù)r1=2.55的介質(zhì)板，這種薄介質(zhì)板易于彎曲并與柱面共形，共形后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了便于實(shí)際加工測(cè)試，并且較好地模擬飛行器，柱體選用膠木材料，其相對(duì)介電常數(shù)r2=8，柱體半徑R=87mm，高度H=200mm。由于微帶準(zhǔn)八木天線結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，影響天線性能的

16、參數(shù)很多，逐一優(yōu)化起來會(huì)顧此失彼。經(jīng)過仿真，發(fā)現(xiàn)天線阻抗匹配、方向圖、增益等性能主要由輻射器和反射器的結(jié)構(gòu)決定，所以本文主要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)輻射器和反射器的結(jié)構(gòu)來達(dá)到最佳性能。圖 19 柱面共形結(jié)構(gòu)示意圖綜合考慮并仿真優(yōu)化，最終確定天線各個(gè)參數(shù)如表所示。表格 1 各參數(shù)尺寸（mm）LWHRhwgs180100200870.2212L1L2L3L4L5L6W1W2761522388382015W3W4W5W6W7151114218實(shí)際加工制作了天線實(shí)物，如圖20所示。天線在微波暗室完成測(cè)試，由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得的反射系數(shù)S11曲線與仿真結(jié)果比較，如圖21所示。實(shí)測(cè)諧振點(diǎn)位于888MHz，天線在790

17、1080MHz頻帶內(nèi)，回波損耗S11-10dB，相對(duì)帶寬約為30%。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果相比較，諧振點(diǎn)偏小，反射系數(shù)曲線深度變淺，但是S11-10dB的帶寬增加約90MHz。在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)，S11曲線的變化趨勢(shì)及阻抗帶寬與仿真結(jié)果一致。圖 20 天線實(shí)物圖 21 實(shí)測(cè)回波損耗曲線與仿真結(jié)果比較實(shí)測(cè)天線諧振點(diǎn)888MHz處的輻射方向圖與仿真歸一化方向圖比較，如圖22和23所示。由E面（xoy面）和H面（yoz面）方向圖可以看出，天線輻射最大方向?yàn)橐蚱鳎ㄕ齳軸）方向。天線的實(shí)測(cè)E面3dB波瓣寬度約為120度，H面3dB波瓣寬度約為106度。兩個(gè)面的3dB波束寬度均在100度以上，實(shí)現(xiàn)了天線寬波束

18、通信的性能。另外，通過與標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線比較，測(cè)出天線諧振點(diǎn)處的最大增益為3.8dB。考慮到天線設(shè)計(jì)在較低頻率以及實(shí)現(xiàn)寬波束的功能，所以天線增益不高。經(jīng)過計(jì)算，天線效率約為75%，與微帶天線的效率基本一致。圖 22實(shí)測(cè)方向圖與仿真結(jié)果比較E面方向圖圖 23實(shí)測(cè)方向圖與仿真結(jié)果比較H面方向圖五、一種Peano 結(jié)構(gòu)的圓極化微帶天線本節(jié)所用的EBG結(jié)構(gòu)為一階Peano結(jié)構(gòu), 如圖24所示。Peano結(jié)構(gòu)也是一種分形結(jié)構(gòu)，可以得到無限周期結(jié)構(gòu)。介質(zhì)基板表面為一階Peano結(jié)構(gòu)，底面為地平面。圖 24 一階Peano結(jié)構(gòu)單元這種結(jié)構(gòu)不容易用集總LC電路來描述，通過有限元計(jì)算軟件HFSS對(duì)其特性進(jìn)行分析。利

19、用分析結(jié)果來進(jìn)行Peano周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到所要求的效果。圓極化天線的優(yōu)點(diǎn)是可以接收多種極化來波，除了和本身反向的回波。因此，圓極化天線廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信和GPS中，可以抑制雨霧干擾和多徑反射。本節(jié)采用方形微帶天線作引入微擾s來實(shí)現(xiàn)圓極化特性，天線的大小l=0.5g，其中g(shù)為介質(zhì)板中的電磁波波長(zhǎng)。g=cfe (5-1)引入的微擾s即微帶天線的切角，可以由下式（5-2）計(jì)算，得到微帶天線的基本參數(shù)。e=r+12+r-121+10hl-12ss=12QQ=2ehGl×E2dAE2dl (5-2)根據(jù)上面的經(jīng)驗(yàn)式（5-2）可以得到圓極化微帶天線的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的微帶天線中心頻率為8GHz，微帶

20、天線l=6.6mm，切角面積s=1.56mm2，基板的大小為16.4mm×16.4mm，基板高度H=2mm，基板采用介電常數(shù)r=6。同時(shí)把Peano結(jié)構(gòu)放到天線周圍，設(shè)計(jì)Peano結(jié)構(gòu)和天線間距為2mm，大大減小電磁帶隙與天線的間距。EBG結(jié)構(gòu)的尺寸為L(zhǎng)=2.78mm，W=0.5mm，G=0.5mm，有EBG結(jié)構(gòu)的切角面積為s=10.24mm2。經(jīng)過仿真優(yōu)化后得到的無EBG結(jié)構(gòu)和有EBG結(jié)構(gòu)的微帶天線如圖25所示。圖 25 天線結(jié)構(gòu)仿真結(jié)構(gòu)圖圖 26 圓極化微帶天線反射系數(shù)從圖25可以看出，EBG結(jié)構(gòu)離天線2mm時(shí)，由于減小了諧振腔體的體積，天線的諧振頻率會(huì)提高。調(diào)節(jié)圓極化微帶天線的

21、饋點(diǎn)位置和切角大小，可以得到合適的工作頻率。此時(shí)天線饋電點(diǎn)不一定在中邊位置，要進(jìn)行微調(diào)，可以得到良好的圓極化特性和匹配特性。同時(shí)EBG結(jié)構(gòu)的帶阻特性能有效抑制微帶天線的表面波，降低天線后瓣。圖26為有EBG結(jié)構(gòu)和無EBG結(jié)構(gòu)的圓極化微帶天線饋電端口的反射系數(shù)（S11）。由于EBG結(jié)構(gòu)的存在，會(huì)影響微帶天線表面的電場(chǎng)分布。而微帶天線表面阻抗變化特性與無EBG結(jié)構(gòu)時(shí)的天線阻抗變化特性是一樣的。有EBG結(jié)構(gòu)時(shí)，天線的匹配特性得到提高，提高天線的工作效率。有無Peano周期結(jié)構(gòu)的圓極化微帶天線的Phi=0°遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖對(duì)比如圖27所示，Phi=90°遠(yuǎn)場(chǎng)方向?qū)Ρ热鐖D28所示。沒有EB

22、G結(jié)構(gòu)的圓極化微帶天線方向圖的E面和H面在0°時(shí)的天線增益為5.16dB，帶有EBG結(jié)構(gòu)的圓極化微帶天線方向圖在0°時(shí)的天線增益為4.3dB。天線增益降低0.9dB。帶EBG結(jié)構(gòu)的微帶天線的波束比沒有EBG結(jié)構(gòu)的微帶天線波束要窄，并且由于EBG結(jié)構(gòu)阻帶的存在，有效抑制了微帶天線的表面波，使得圓極化微帶天線的后瓣明顯減小，比原方向圖減小5dB左右，提高了天線的方向性。圖29為有無EBG結(jié)構(gòu)的圓極化微帶天線的軸比對(duì)比圖。一般定義軸比帶寬為低于3dB的頻帶寬為圓極化帶寬，高于3dB的為線極化工作。帶EBG結(jié)構(gòu)的圓極化微帶天線的軸比與沒有EBG結(jié)構(gòu)的天線軸比相近，有EBG結(jié)構(gòu)的微帶

23、天線圓極化帶寬略小于沒有EBG結(jié)構(gòu)的微帶天線。圖 27 微帶天線Phi=0°方向圖圖 28 微帶天線Phi=90°方向圖圖 29 微帶天線軸比在天線陣進(jìn)行波束掃描時(shí)，掃描性能的改變主要受到天線陣元之間的互耦的影響，嚴(yán)重時(shí)可產(chǎn)生掃描盲區(qū)。另外，波束也與單個(gè)天線陣元方向圖有關(guān)，在邊緣的陣元與中心的陣元方向圖差異很大，由此引起天線陣方向圖綜合誤差增大。 當(dāng)對(duì)圓極化微帶天線組成天線陣時(shí)進(jìn)行掃描時(shí)，天線陣元之間的互耦會(huì)造成方向圖惡化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)退化成線極化天線陣。利用EBG結(jié)構(gòu)減小天線陣元之間的互藕，提高天線陣元的獨(dú)立性。用兩個(gè)圓極化微帶天線測(cè)試EBG結(jié)構(gòu)的帶阻特性。 建立的模型如圖3

24、0所示。圖 30 EBG結(jié)構(gòu)天線陣對(duì)兩陣元天線的互耦進(jìn)行對(duì)比分析，一種加入EBG結(jié)構(gòu)，另一種不加入EBG結(jié)構(gòu)。陣元間距為13.12mm，也就是0.35。在EBG結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)微帶天線的反射系數(shù)曲線如圖10所示。在EBG結(jié)構(gòu)中的微帶天線反射系數(shù)沒有變化，即微帶天線的匹配特性基本不受影響。對(duì)天線反射系數(shù)影響比較大的是天線與周圍的一節(jié)Peano結(jié)構(gòu)的距離，適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化可以得到良好效果。保持陣元間距不變，分別對(duì)有EBG結(jié)構(gòu)和沒有EBG結(jié)構(gòu)的天線陣元互耦進(jìn)行仿真，得到的結(jié)果如圖32所示。從圖32中可以看出，加入EBG結(jié)構(gòu)后，陣元之間的互耦明顯減小。在8GHz處陣元之間的互耦從-13dB降低到-21dB。所

25、以EBG結(jié)構(gòu)在天線陣中可以有效抑制表面波傳輸，同時(shí)保證天線陣元的間距，降低陣元之間的互耦，從而在一定程度上消除天線陣的盲區(qū)，提高天線陣的性能。圖 31 微帶天線反射系數(shù)圖 32 天線陣元互耦曲線六、一種新型UHF RFID抗金屬標(biāo)簽天線UHF無源標(biāo)簽的性能主要由兩個(gè)方面決定：標(biāo)簽天線的增益大小以及天線與芯片之間的阻抗匹配。一種提高增益的方法是并聯(lián)多個(gè)折疊型偶極子結(jié)構(gòu)，因?yàn)轭~外的偶極子的輻射阻抗能夠提高天線效率，因此本節(jié)提出在傳統(tǒng)偶極子天線結(jié)構(gòu)（圖33）上改造一段環(huán)形微帶線，在不增加天線面積的情況下獲得增益提高。圖 33 傳統(tǒng)天線結(jié)構(gòu)該天線結(jié)構(gòu)由變型彎折偶極子輻射體和環(huán)形微帶線以及矩形饋電環(huán)三部

26、分組成，將芯片貼在矩形饋電環(huán)的開口處進(jìn)行激勵(lì)，利用電感耦合將能量送至兩個(gè)中間部分連在一起的彎折偶極子輻射體上。偶極子采用階梯彎折狀可以縮短天線的整體長(zhǎng)度，使其結(jié)構(gòu)緊湊面積縮小。天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖 34 本節(jié)提出的環(huán)形天線結(jié)構(gòu)將以上兩種天線置于72mm×36mm的金屬板上，采用相對(duì)介電常數(shù)為4.4，厚度為1mm 的介質(zhì)板，利用HFSS軟件進(jìn)行仿真，最終得到功率反射系數(shù)曲線圖，如圖35所示。從圖中可以看到，本文提出的環(huán)形天線在頻率為900MHz時(shí)功率反射系數(shù)可達(dá)到-22dB，其性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)天線。圖35傳統(tǒng)天線和環(huán)形天線功率反射系數(shù)曲線圖36天線距金屬板距離大小h與功率反射系數(shù)的關(guān)

27、系天線增益大小和它到金屬板的距離密切相關(guān)，表2列出了傳統(tǒng)天線和環(huán)形天線在距金屬板距離h分別為2mm，3mm，5mm，10mm時(shí)的增益值；圖36是環(huán)形天線在距金屬板距離為2mm，3mm，4mm，6mm，8mm 時(shí)功率反射系數(shù)的曲線。從表2中可以看出，在距金屬板距離相同時(shí)，本文提出的環(huán)形天線增益始終優(yōu)于傳統(tǒng)天線，驗(yàn)證了該環(huán)形天線的高性能。同時(shí)，隨著天線到金屬板距離的增加，增益值呈現(xiàn)出不規(guī)律的變化趨勢(shì)，因此，通過大量的仿真優(yōu)化，最終觀察到該天線在距金屬板距離為3mm時(shí)可獲得最大增益，增益值為2.06dBi。從圖36可以看出，該環(huán)形天線工作在900MHz時(shí)性能最好。表格 2 距金屬板距離大小與天線增益

28、的關(guān)系（900MHz）距金屬板距離/mm傳統(tǒng)天線增益/dBi環(huán)形天線增益/dBi2-2.571.7330.922.0651.61.92101.992.31接地面大小是對(duì)天線性能影響的另一個(gè)因素。通過仿真研究發(fā)現(xiàn)，金屬面大小的變化對(duì)諧振頻率、輸入阻抗、帶寬影響較小，但對(duì)輻射效率、方向圖的影響較大。表3列出了電子標(biāo)簽分別位于金屬表面面積為60mm×36mm，72mm×36mm，90mm×36mm時(shí)天線增益的變化情況。從表3可以看到標(biāo)簽在面積為60mm×36mm的金屬表面工作時(shí)天線增益較低，只有1.90dBi；隨著金屬表面面積增加到72mm×36mm

29、，天線的增益增強(qiáng)到2.06dBi，但隨著金屬面積的進(jìn)一步增大天線的增益又有所下降，因此得出天線增益大小變化并不與金屬面大小變化成正比，原因是在金屬表面面積增加到一定程度時(shí)，天線的輻射方向會(huì)發(fā)生畸變，使得垂直于輻射面的輻射場(chǎng)減弱，此時(shí)天線的增益會(huì)有所下降。表格 3 金屬表面大小與天線增益的關(guān)系表面面積/mm2增益/dBi60×361.9072×362.0690×361.31圖37為該天線的阻抗曲線，可以看到在900MHz時(shí)天線的阻抗為（44.24j5.96），需要選擇阻抗值為（44.24+j5.96）的芯片與天線進(jìn)行共軛匹配。如果使用的芯片阻抗值不是（44.24+j

30、5.96）而是其他的容性值，可以通過調(diào)整天線的開槽長(zhǎng)度來優(yōu)化其阻抗值以達(dá)到天線與芯片之間的共軛匹配。該天線采用相對(duì)介電常數(shù)4.4、厚度1mm的FR4基板進(jìn)行加工，實(shí)物如圖38所示。圖 37 天線輸入阻抗曲線圖 38 天線實(shí)物圖七、一種電磁偶極子超寬帶微帶天線超寬帶偶極子微帶天線結(jié)構(gòu)如圖39、40、41所示，天線的水平部分是電偶極子單元，由等腰直角三角形貼片，等腰梯形貼片和矩形貼片組成，其中矩形貼片與等腰梯形的下底相連，高度33毫米。等腰直角三角形與等腰梯形通過2.5毫米寬的水平縫隙隔開。與三角形貼片直角邊和梯形兩腰相連的短路貼片構(gòu)成了垂直方向上的短路貼片天線，相當(dāng)于一個(gè)磁偶極子，采用型饋線同時(shí)

31、激勵(lì)電偶極子和磁偶極子，就可以實(shí)現(xiàn)E面和H面近乎相等的方向圖。為了調(diào)節(jié)阻抗匹配，饋線高度略低于平面貼片高度，型饋線高21毫米。型饋線包括兩個(gè)部分：傳輸部分和耦合部分。傳輸部分是一段寬度由下向上逐漸變細(xì)的微帶線，寬度漸變的微帶線比常規(guī)的矩形微帶線可以實(shí)現(xiàn)更好的阻抗匹配，傳輸部分底部寬3.2毫米，與地板下面的同軸線接頭相連接，頂部寬1.5毫米，與耦合部分相連，傳輸部分與鄰近的垂直短路貼片共同構(gòu)成傳輸線模式，將同軸線信號(hào)傳輸至型饋線的耦合部分；型饋線其余部分即為型饋線的耦合部分，耦合部分的水平部分呈感性，豎直部分靠近短路貼片，主要呈容性。通過調(diào)節(jié)L饋線水平和垂直部分的尺寸，可以實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配。型饋線的水平部分較寬，為2.5毫米，并不與附近短路貼片相連，而是穿過在垂直短路貼片上的打孔向下彎折。由于天線工作頻帶很寬，為了防止高次模的出現(xiàn)導(dǎo)致天線增益和方向圖變差，在反射板邊沿添加了金屬圍欄改善增益和方向圖指標(biāo),包括傾斜部分和垂直部分。傾斜部分底部與反射板相連，頂部與垂直金屬圍欄部分相連。傾斜部分斜面長(zhǎng)56.9毫米，高33.5毫米，垂直部分