為無線應(yīng)用設(shè)計分析和測試寬帶圓極化小型微帶天線

1、為無線應(yīng)用設(shè)計分析和測試寬帶圓極化小型微帶天線摘要：GPS、衛(wèi)星手機(jī)都需要寬帶小型圓極化天線。微帶天線有固有的窄帶寬，因此要求增加帶寬和減小天線的尺寸，這篇論文主要是討論天線的設(shè)計和寬帶小型圓極化天線MSA測試。所設(shè)計的天線帶寬通過使用EC堆疊貼片天線來擴(kuò)大的。所設(shè)計的天線具有3 dB的軸比AR 16.71%和駐波比BW（駐波比小于2）20.17%。它通過加載的輻射貼片上的交叉縫隙，實現(xiàn)了一個明顯的量的減少，這篇論文還分析了不同的模擬設(shè)計在駐波比、軸比、阻抗、增益以及回波損耗。在天線建造好之后，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（R&S來300KHz-8GHz）測量天線，然后發(fā)現(xiàn)所測量的結(jié)果和預(yù)計模擬的結(jié)果十

2、分吻合。關(guān)鍵詞：軸比（AR）、駐波比（VSWR）、阻抗、緊湊、電磁耦合（EC）、極化（CP），微帶天線1. 介紹 現(xiàn)如今，由于無線系統(tǒng)的高速發(fā)展，尤其是衛(wèi)星通信，對于天線的要求也愈加提高。在衛(wèi)星通信方面，如果移動臺在仰角和姿態(tài)的變化，天線的發(fā)送和接收信號是在一個恒定的水平，這種理想的結(jié)果是很令人滿意的。因此，寬帶圓極化和尺寸小型化的天線應(yīng)運而生。微帶天線由于重量輕，體積小，生產(chǎn)成本低，非常適合于這種應(yīng)用。雖然傳統(tǒng)的貼片天線在單一饋電方式下可以產(chǎn)生一個圓極化輻射模式，但是當(dāng)我們從高處極點向瓦層移動的時候，天線的增益就會減小，增益是伴隨著軸向比的變小而變小的。在過去的幾年里，帶有插槽的貼片天線調(diào)查

3、得出使得天線變得更加緊湊，帶寬更加大。因此選擇合適的進(jìn)料工藝、基材材料、偏振類型、寬帶技術(shù)，尺寸縮小技術(shù)對一個天線的成功設(shè)計有重要的作用。單饋電方式的圓極化微帶天線（CP）由于它的簡單的結(jié)構(gòu)被大家有興趣的考慮。他們可以用比雙饋圓極化微帶天線更少的饋電板的空間，來更簡潔的實現(xiàn)8。 Yan Shan Boo 等人用探針饋電矩形貼片與一個寄生元件，以實現(xiàn)12的軸向比帶寬10。他們主要的貼片是在厚（86.0mm*77.5mm）的FR4（r=4.3,tan=0.02）襯底上制造的，它的上貼片（114.0毫米104.0毫米）是在泡沫薄FR4基板上構(gòu)建而成的。然而，制造泡沫寄生貼片本身就是很困難的，更何況是

4、驅(qū)動貼片對準(zhǔn)，因此，在本篇文章中，代替空氣電介質(zhì)是可以降低工業(yè)制造難度的介質(zhì)。 為了設(shè)計一個單饋電方式的微帶圓極化貼片天線（CP），包括截斷補(bǔ)丁角落和嵌入在輻射貼片的橫槽，都常采用攝動方法，使用一個接近正方形的貼片67,其中，采用了十字槽的優(yōu)點是所需的貼片尺寸是相比于其它方法對于一個給定的圓極化頻率小1.為了實現(xiàn)兩個正交模式，這個模式有相同的振幅和相位差，十字槽必須被設(shè)計成具有適當(dāng)?shù)牟坶L度比，并通過調(diào)整供給位置，50輸入阻抗可以在貼片中找到。十字槽的所需時隙長度比主要是由其時隙長度決定。對于較大的槽長度，微帶天線具有相對較低的圓極化工作頻率。本篇論文分析圓極化帶寬和諧振頻率不同的插槽長度的效果

5、。 為了實現(xiàn)良好的圓極化特性，將同軸饋電的位置進(jìn)行了優(yōu)化，將饋電位置通過X0=XCos和Y0=XSin在開始的時候被固定在了饋電位置（X0，Y0）的弧上3，這種饋電優(yōu)化方式對提高圓極化堆疊微帶天線的設(shè)計要求十分有用。 .天線的設(shè)計 現(xiàn)在有大量得提高天線帶寬的方法，例如，優(yōu)化饋電探頭，使用多重共振，使用折疊的貼片進(jìn)行饋電，或者使用開槽輻射單元。平面輻射元件的形狀是由與槽反應(yīng)性加載它設(shè)計和Chair.R等4優(yōu)化而成的。它也表明，一個U形槽引入了輸入阻抗的電容成分抵消探針的電感分量，還補(bǔ)償了增加電感效應(yīng)，由于狹槽，所述基板的厚度增大，因此作為厚度相應(yīng)地增加了帶寬的增加。在本文中，兩個正交交叉縫隙被引

6、入以實現(xiàn)所需的特性。A. 仿真模擬的建立 天線的諧振特性進(jìn)行了預(yù)測和優(yōu)化使用，它使用瞬間優(yōu)化技術(shù)方法高電磁場仿真軟件IE3D。設(shè)計過程開始于確定該長度，寬度和電介質(zhì)物質(zhì)的種類對于給定的工作頻率為每次用MATLAB軟件的標(biāo)準(zhǔn)方程，然后該多層電介質(zhì)法（疊層）被用于引入厚的空氣電介質(zhì)，以進(jìn)一步增強(qiáng)帶寬5 。除此之外將兩個交叉縫隙整合并優(yōu)化;這降低了天線的尺寸。在最后所述探針饋送引入用于獲得所需要的帶寬，諧振頻率和增益值。B. 天線的物理結(jié)構(gòu) 這兩個幾乎正方形補(bǔ)丁蝕刻在分開的基底上，他們是在底部襯底厚度h1和相對介電常數(shù)1，與厚度H3和相對介電常數(shù)3頂部基板。為了方便起見，在實際設(shè)計中，兩個基板的厚度

7、均為H1= H3= 1.6毫米，并且 1=3= 4.4。為了實現(xiàn)較寬的帶寬，稍微上層的貼片（15.89 mm 13.9 mm）是在FR4基板制造的（FR4介質(zhì)的電特性r = 4.4, tan = 0.02，），空氣介質(zhì)夾在兩者之間（空氣介質(zhì)的電特性r = 1.0, tan = 0.001）。該貼片被給予了優(yōu)化后的饋電位置以得到廣泛的輻射和良好的圓極化波?？p隙參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到良好性能的軸向比參數(shù)。天線設(shè)計的尺寸列于表I給出，并且所有的單位為毫米。 采用同軸探頭的電磁耦合（鄰近耦合）微帶天線被廣泛的應(yīng)用在目前的工作中。此饋電機(jī)構(gòu)從靈活性的制造和匹配得到了很多優(yōu)化。探針的確切位置是由沿弧線改變探

8、針來定位X-Y軸之間的最佳點來確定的。同軸探針位置首先確定上部貼片長度為大約三分之一。同軸探針位置是沿著x軸進(jìn)行模擬，用以獲得與負(fù)載的最佳阻抗匹配。此后，將探頭位置沿XY軸模擬具有不同的角度，以找到最佳的圓偏振的性能在該工作頻率范圍內(nèi)天線的良好阻抗匹配。 . 結(jié)果與討論A. 仿真結(jié)果這個仿真結(jié)果是基于假設(shè)地平面為無窮大的情況下完成的。開槽貼片天線在中心兩個交叉槽模擬結(jié)果示于圖1和圖2。在圖1所示的貼片的回波損耗特性給出了由對稱地增加時隙的近正方形貼片的諧振頻率被降低，導(dǎo)致降低天線的整體尺寸。 圖一 回波損耗與頻率變化曲線應(yīng)當(dāng)指出的是，設(shè)計的天線共振于4.208 GHz的。天線的模擬的VSWR帶

9、寬是大約849MHz的（20.17）覆蓋的頻率范圍從3.9344 GHz到4.784 GHz，天線的軸比帶寬是約703.28MHz的（16.71），如圖2所示。實現(xiàn)了增益超過6.0 dBi，共振頻率和天線效率約為61。 圖二 軸向比和頻率的變化曲線 B.參數(shù)研究A. 不同的時隙長度的影響用天線的不同的原型進(jìn)行了不同的縫隙插槽長度的模擬，有L1 =15.89毫米，L2= 17.5Hz毫米和W1= W2=13.90毫米。它首先注意的是，當(dāng)L1增大和12保持恒定時，天線還能保持良好的圓極化的特性，饋電點被移動朝向貼片中心，得到50輸入阻抗。另外，當(dāng)L1增加時，圓極化的帶寬的中心頻率有所降低，如表II

10、所示。在L1= 6mm的情況下和l2=4mm，中心頻率降低到4.1792 GHz的時候，這相比于天線I的減少了5.3，并在輻射貼片的十字槽的槽長比提高到1.5。（參考圖3和圖4） 圖三 回波損耗的變化和頻率在不同的插槽長度的變化曲線 圖四 駐波比的變化和頻率在不同的插槽長度的變化曲線b.寄生貼片的不同長度的效果下部方形貼片長度L1被取為15.89毫米和頂方形貼片長度L2是從16.0毫米至17.5毫米（表III）變化?；蛘呤褂每諝忾g隙（H2= 5），使用IE3D得到駐波和阻抗曲線，L2的四個值示于圖5和圖6。為實現(xiàn)L2的阻抗帶寬= 17.5Hz mm的772.8MHz的，比360MHz的的零空隙

11、中獲得的帶寬要大得多。 圖五 駐波比的變化和不同的寄生貼片長度的變化曲線 圖六 阻抗特性和不同的寄生貼片長度的變化曲線C. 有限接地平面的影響 當(dāng)從一個微帶天線的輻射被認(rèn)為是圓偏振，它通常是假定接地平面延伸到無限大。然而，在實踐中，接地平面總是有限的，但它可以通過一個非常大的尺寸來近似，接地平面的邊緣的影響可顯著修改輻射模式以及軸比2。接地平面尺寸為35mm32毫米，計算的天線參數(shù)如表I所述。它可以觀察到，通過一個有限接地平面的作用，軸比被明顯修改（圖7），而增益和天線的效率都降低了不少。此外，對于有限接地平面，背面裂片都存在，而對于無限地平面，在輻射圖案中沒有回波瓣，如圖 8所示。阻抗BW和

12、軸比帶寬的模擬值都列在表IV中。所設(shè)計的天線的幾何結(jié)構(gòu)在圖9中如（a）所示。 圖七 對于有限地平面的VSWR特性 C. 測量結(jié)果 制造后的天線（圖9（b）的，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）（R300 KHz-8 GHz）進(jìn)行測試。測得的VSWR帶寬為806 MHz的3.89 GHz的（參見圖10,11）共振的-25.769 dB的回波損耗。將測量和模擬的結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果在表中給出。 圖八 有限大平面的輻射模式圖 圖九 a為天線的設(shè)計 b為使用VNA進(jìn)行天線的測量（R&S300KHz-8GHz) 圖十 回波損耗的仿真比較和實際測量結(jié)果 總結(jié)一種用于增強(qiáng)貼片天線的帶寬技術(shù)已經(jīng)被設(shè)計出來了，將與上部

13、和下部貼片和橫槽之間的空氣介電堆疊的貼片天線在較低的補(bǔ)丁被并入，由于其結(jié)構(gòu)簡單，也可以方便地制造。該天線是被成功設(shè)計，可以匹配所需的特性，并且可以達(dá)到約20.17的VSWR帶寬，16.71的AR帶寬，覆蓋的頻率范圍從3.9344 GHz到4.784 GHz的約6.0 dBi的峰值增益值，可以在眾多無線設(shè)備中使用，尤其是在衛(wèi)星通信方面。 圖 十一 仿真的VSWR結(jié)果和實際測量結(jié)果進(jìn)行比較 圖十二 測量所得輸入阻抗（史密斯圓圖） 時隙長度和對天線性能的寄生貼片長度的變化的影響進(jìn)行了研究。據(jù)觀察，諧振頻率會降低，因此當(dāng)槽的長度要減小，當(dāng)槽的長度接近天線的尺寸時。天線的設(shè)計是制定并使用矩量法澤蘭德IE

14、3D軟件進(jìn)行了優(yōu)化。一個有限接地平面的上圓偏振微帶天線的影響也進(jìn)行了研究。這個結(jié)果已經(jīng)顯示，軸向比可以通過引入一個有限接地平面大大的提高將近16.71，而天線的增益和效率都會降低。獲得的測量結(jié)果與7.5中的諧振頻率的誤差偏移相比，誤差結(jié)果是令人滿意，而誤差的主要原因主要是由于制造公差。增益和效率不滿足規(guī)范，因此可以進(jìn)一步提高利用覆層，也作為用于天線保護(hù)蓋。表 仿真結(jié)果與實際測量結(jié)果的比較 參考文獻(xiàn)1 Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon, Microstrip Antenna Design Handbook, A

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