带反射背腔的圆形缝隙天线的仿真与设计_晏源
第3期2011年6月
Journa l of CA EIT
V o.l 6No .3Jun .2011
工程与应用
收稿日期:2010 09 26 修订日期:2010 12 08
带反射背腔的圆形缝隙天线的仿真与设计
晏 源,曹群生
(南京航空航天大学信息科学与技术学院,南京 210016)
摘 要:平面宽缝天线具有全向辐射,中等增益等特点,是最具吸引力的平面宽带候选天线之一。平面宽缝天线具有不同的缝隙形状,如矩形,圆形,弧形;具有不同的馈电形状,如T 形,十字形,叉状,蝴蝶结形,星形枝节, 形,双T 形,圆形,矩形等。仿真和设计了一款带圆柄的微带线馈电的宽带圆形缝隙天线,并通过添加带多调谐结构的反射背腔使天线获得了良好的单向辐射的辐射特性。关键词:圆形缝隙天线;宽带;背腔;调谐
中图分类号:TN 820 文献标识码:A 文章编号:1673 5692(2011)03 304 04
Design of aW ide bandM icrostrip C i rcle sl ot Antenna w it h its
Reflected Cavity
YAN Yuan ,CAO Qun sheng
(N an ji ng U niversity of A eronauti cs and A stronautics ,N anji ng 210016,Chi na)
Abst ract :P l a nar w i d e slot antenna is one k i n d of t h e m ost attracti v e broadband planar antennas ,because of its characteristics o f o m n i directi o na l radiation and m odera te gain .The sl o t shapes of p lanar w ide sl o t antennas are hav i n g great vari e ty ,such as rectangu lar ,circular ,curved .The antenna a lso has d ifferen t
shapes of t h e feed ,such as T shaped ,cross shaped ,bo w shaped , shaped ,double T shaped ,round shaped ,rectangular and so on .This paper si m ulated and desi g ned a w i d e band m icrostri p c irc l e sl o t an tenna .By add i n g tun i n g ch i p s i n to the re flected cav ity ,the antenna obta i n ed perfect un i d irectional per fo r m ance .K ey w ords :m icrostri p circ le sl o t antenna ;w ideband ;cavity ;tun i n g ch i p
0 引 言
20世纪80年代以来出现了多种电磁耦合型的天线馈电方式,其结构上的共同特点是无接触馈电。当采用微带线给宽缝天线馈电时,采用耦合式馈电,微带线与宽缝天线面是不在同一个平面上的。采用微带线作为馈线单元可以很方便地将天线单元和馈线单元一起光刻,制作简便,因为得到了极为广泛的应用。
微带缝隙天线有窄缝和宽缝之分。当缝隙宽度远小于工作波长时称其为窄缝;当缝隙宽度与波长
可相比拟时称其为宽缝。对于圆形缝隙天线来说,
由于圆直径与工作波长接近,所以一般认为是宽缝天线。
1 圆形缝隙天线的设计
当缝隙天线的缝隙形状为圆形时,称这一类天线为圆形缝隙天线。常见的圆形缝隙天线的结构如图1所示,它是在基片的地面开一圆缝,在基片的另一面利用50 开路微带线馈电。通过调整微带线终端与缝隙中心的相对位置及缝隙尺寸来获得最佳匹配。这种天线的频带较窄,虽然可以通过增加缝
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隙半径来使天线带宽有所增加,但随着缝隙半径的
增加,其辐射电阻也会增加,这就使得辐射圆和馈线
失配,降低了阻抗带宽。
图1 常见圆形缝隙天线结构
本文通过对天线结构的改进,仿真设计了一款
频带为3~9GH z的圆形缝隙天线,让天线馈电形状
相似于地板缝隙形状,有利于获得更优的阻抗匹配
和更好的辐射方向图。
天线是通过在接地板上槽刻一个圆形的缝隙获
得的,并通过介质另一面上蚀刻的带圆柄的微带线
激励。圆形缝隙的半径为Ra,取值Ra=16mm,微
带馈线的圆柄半径为R b,取值R b=6.1mm。馈线
圆柄距圆形缝隙下边沿的距离为偏移量g,取值g=
0.25mm,如图2所示。以上参数均是通过利用三
维电磁场软件进行参数扫描和优化获得。
图2 天线参数示意图
在三维电磁仿真软件CST中对上述天线结构
进行仿真,可得到的天线的带宽特性,如图3所示。
图3 S11描述的天线带宽特性
从图3可以看出,利用上述结构和参数设计的
圆形缝隙天线的频带范围可以完全覆盖3~9GH z
的频带范围,所以该天线是一款宽带平面缝隙天线。
三维电磁场仿真软件CST的仿真结果,如图4
所示,所描述的天线工作在中心频率f=6GH z时的
天线的远场归一化增益情况,由图上可以看出,圆形
缝隙天线是一款全向辐射的平面天线,在基片的两
侧均有电磁辐射,且辐射的能量大致相等。
图4 天线远场归一化增益方向图
本文依据三维电磁场仿真软件CST对圆形缝
隙天线的建模和仿真,制作出了圆形缝隙天线的实
物结构,具体的实物结构图如5所示。
图5 圆形缝隙天线实物图
利用N5230A矢量网络分析仪对上述天线结构
进行测量,可得实物的反射损耗示意图如图6所示。
图6 圆形缝隙天线实物的反射损耗示意图
从图6可以看出,天线的频率能够完全覆盖
3~9GH z的频率范围,满足本文的设计需求。只是
由于制作工艺、焊接技术和测量环境的限制,在实际
测量之时,圆形缝隙天线的S MA接头随手稍动一
下,都会带来反射损耗曲线的比较明显的变化,且相
较仿真结果,曲线比较粗糙,不如仿真出的结果那般
平滑地随频率发生变化。
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2011年第3期
2 带调谐片的反射背腔的设计
为了实现天线的单向辐射特性,通常在天线的
一方加上一个反射背腔用于反射天线向背腔一侧辐
射的电磁波。腔的深度为 /4,其中, 为与天线中心
频率相对应的波长,腔体直径与天线外径相同。
由于为宽带天线添加简单的反射腔会引入一个
反射谐振长度,导致天线的阻抗带宽急剧下降,考虑
在腔体内引入谐振结构助于反射腔激励多种谐振模
式,以提升谐振腔的可匹配带宽。
本文中,采用的第一种谐振结构是将厚度为
1mm的三角片置于背腔中央实现的。
调谐三角片在背腔中有两种不同的放置方式,
如图7所示,一种是图7(a)所示的调谐三角片的直
角边靠近天线馈线;另外一种是图7(b)所示的调谐
三角片的直角边远离天线馈线。
图7 调谐三角片在背腔中不同的放置方式
利用三维电磁场软件CST对调谐三角片在背
腔中的两种不同放置方式分别进行仿真,可得调谐
三角片在背腔中的两种不同放置方式对天线带宽的
影响如图8所示。
图8 调谐三角片在背腔中放置
方式对天线带宽的影响
从图8可以看出,调谐三角片直角边靠近天线
馈线时天线带宽的情况优于调谐三角片直角边远离
天线馈线的情况。
调谐三角片的直角边长度对天线带宽反射损耗
的影响,如图9所示。图中ht的值即为调谐三角片
的直角边的长度,从图上可以看出,当将调谐三角片
放于天线的背腔中时,随着三角片直角边长度的增
加,天线反射损耗曲线的低频部分将会上移,而高频
部分则反之会出现一定的下移,但总体来说,三角片
的直角边的长度对天线反射损耗曲线的低频部分影
响较对高频部分的影响较为明显,综合考虑这个因素,
本文中选取调谐三角片的直角边的值为ht=6mm。
图9 三角片直角边长度对天线反射损耗的影响
本文中采用的第二种调谐结构是十字架,十字
架是用两片具有一定厚度和长度的矩形金属片垂直
放置于背腔中央实现的,其厚度为1mm,长度为与背
腔的结构相当,宽度为h t,结构示意图如图10所示。
图10 十字调谐结构在背腔中的
结构示意图
利用三维电磁仿真软件对带添加十字调谐结构
的背腔的圆形缝隙天线进行仿真,可得到当十字调
谐结构的宽度ht不同时,天线系统的反射损耗示意
图,如图11所示。
从图中可以看出,十字调谐结构的宽度h t对天
线反射损耗的影响还是较为明显的,出于对天线系
统的整体反射损耗情况的影响,取ht=5.5mm。
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图11 十字结构宽度对天线反射损耗的影响
ht =5.5mm 时背腔带十字调谐结构的圆形缝隙天线电压驻波比随频率变化情况,如图12所示。由图可见,在圆形缝隙天线的背腔中添加十字调谐结构能够有效地维护天线的宽频带宽特性。
图12 h t=5.5mm 时背腔带十字调谐结构的圆形
缝隙天线电压驻波比随频率变化情况
背腔中添加十字调谐结构的圆形缝隙天线远场归一化增益方向图,如图13所示。由图上可以看出,当在圆形缝隙天线的一侧添加带十字调谐结构的反射背腔之后,天线能够获得良好的单向辐射特性,所以,该方法是使平面宽频带带天线获得较好的单向辐射特性的有效途径。
图13 添加十字调谐结构天线远场归一化增益方向图
3 结 语
在圆形缝隙天线及其反射背腔的设计中,为了实现圆形宽带缝隙天线的单向辐射性能,可以在天线的一侧加上反射背腔,而在反射背腔中添加多调谐结构则可以使天线的单向辐射特性和宽带特性得到更好的优化。
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作者简介
晏 源(1985 ),女,四川峨眉山人,硕士研究生,主要研究方向为天线的仿真与设计;
E ma i:l yanyuanjpv i dr@i 126.co m
曹群生(1959 ),男,安徽铜陵人,博士,教授,博士生导师,主要从事微波技术和天线设计,计算电磁学,微波集
成电路设计与信号完整性等方面的研究。