一种改进了阻抗带宽和低仰角增益的双频圆极化微带天线的设计.docx

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1、一种改进了阻抗带宽和低仰角增益的双频圆极化微带天线的设计史雪莹鄢泽洪左少丽(西安电子科技大学天线和电磁散射研究所，西安710071)摘 要：本文设计了一款可用于卫星通信的圆极化微带天线，采用双层结构实现 了双频(1590 MHz, 2491 MHZ)特性。和用探针直接馈电相比，本文中的天线馈 电方式为圆形贴片耦合馈电。仿真结果显示圆极化特性并获得比较好的驻波比和 较高的低仰角增益。对于低频段(1590MHz),阻抗带宽为130MHz,相对带宽为8. 2%o 对于高频段(2491MHz),阻抗带宽为390MHz,相对带宽达到了 15. 7%o在低仰角 为10。时获得的增益分别为-057dB和L4

2、9dB,和用探针直接馈电相比，低仰角 增益改善了 IdB和0. 6dBo关键词：层叠微带天线，阻抗带宽，低仰角增益，耦合馈电A Coupling-Fed Circularly Polarised Microstrip Antenna With WiderImpedance Bandwidth And Higher Low-Elevation GainShi Xueying Yan Zehong Zuo Shaoli(Institute of Antenna and EM scattering, Xidian University of China, Xi an 710071)Abstract:

3、 A novel coupling-fed circularly polarized microstrip antenna with wider impedance bandwidth and higher gain at low-elevation is proposed in this paper. Compared with the truncated-corners square patch antenna directly fed by a probe, the proposed antenna is fed through coupling of a circular patch

4、on the top of the probe. The simulated results verify the circular polarization and show that good VSWR and higher low-elevation gain have been obtained. In the lower band, the obtained impedance bandwidth is 130MHz, or about 8. 2% with respect to 1590MHz. In the upper band, the impedance bandwidth

5、is 390MHz, or about 15.7% referenced to 2491MHz. The gain values at 10o low elevation are to be -0.57dB and 1.49dB at two operation frequencies, which are emhanted IdB and 0. 6dB compared with probe directly feeding.Keywords: Stacked microstrip antenna;Impedance bandwidth;Low-e1evation gain; Couplin

6、g-fed1引言微带天线具有体积小，重量轻，低 剖面等优点，在过去的几十年里圆极化 微带天线在卫星通信和移动通信领域 得到了广泛的关注和应用口“。随着全 球定位系统（GPS）技术的迅速发展， 卫星无线导航系统需要一个高性能的 导航卫星信号的接收机匕接收天线 的设计是整个系统设计的最重要的部 分之一，因此对这一天线的性能提出了 较高的要求。在获得满足要求的圆极化 特性下要尽可能的展宽其阻抗带宽，提 高低仰角增益。单点馈电的切角方形贴 片天线的建模非常简单，并且易于制 作。因此，得到了广泛的应用。然而， 这种天线的阻抗带宽窄，并且低仰角增 益低5匕 利用多点馈电的微带天线可 以获得较好的圆极化特性

7、和较宽的阻 抗带宽，但是它需要加入馈电网络比， 本文提出了 一种利用圆形贴片耦合馈 电的切角方形贴片微带天线，改善了阻 抗带宽和低仰角增益，获得了较好的圆 极化轴比特性应。2天线结构图1给出了天线的几何结构。上下 贴片的长度分别是Ll和L2。上下两层 介质的介电常数约二7,厚度为5mmo由 于存在较多的设计变量，通过优化过程 很难获得准确的设计参量值。首先我们 可以利用腔模理论计算出该天线的初 始尺寸。最后的结果通过利用基于有限 元方法的电磁仿真软件HFSS 11.0获 得。上下介质层的长度分别为54和60mmo通过调整贴片长度Ll和L2,使 上层贴片谐振在2491MHz,下层贴片谐 振在15

8、90MHzo为了激励圆极化波，方 形贴片分别被切去了两个角，这样场就 被分离成两个相互正交的简并模式。上 下切角的边长分别为ml和m2 o通过调 整ml和m2的长度，使得两个垂直的模 式产生相同的幅度以及90。的相位差。 这样就得到了圆极化。用来馈电的探针 设置在距天线中心d=7. 4mm的位置，这 个探针并没有直接和上层贴片相连，而 是在探针顶端加载一个圆形贴片形成 和上层贴片的耦合馈电。圆形贴片的半 径s=10mm,距离上层贴片P=Immo图1天线的几何结构在仿真环境下，我们优化了两层贴 片的长度和切角的边长。最后，我们获 得了最优的天线设计参量：Ll=20.4, L2=28. 6mm,

9、ml=5. 6mm, m2=4. 2mmo3结果分析文中通过对该天线的研究和分析， 讨论了圆形贴片的效应。图2给出了圆 形贴片在不同的位置处对驻波的影响。 当圆形贴片加载在上层介质中间时，获 得了很好的阻抗带宽。对于低频段，获 得的阻抗带宽为130MHz,相对带宽为 8. 2%。对于高频段，阻抗带宽为390MHz, 相对带宽达到了 15. 7%o图3给出了采 用探针直接馈电和耦合馈电的驻波特 性。我们发现耦合馈电明显改善了天线 的阻抗带宽。获得较高的低仰角增益也 是我们的天线设计目标。图4和图5分 别给出了两个谐振频率下探针耦合馈 电和直接馈电的增益。很明显我们在低 仰角为10。时获得的增益分

10、别为-O. 57dB和1. 49dB,和用探针直接馈电 相比,低仰角增益改善了 IdB和0. 6dBo 图6和图7分别给出了低频段和高频段 的轴比特性。由图可以看出低频段和高 频段的圆极化带宽分别为30MHz和 60MHzo图8和图9分别给出了在1590 MHZ和2491MHZ下主极化和交叉极化的 方向图。图2 圆形贴片放置在上层介质内部圆形贴片放置在下层介质内部圆形贴片放置在上层介质上部图3 耦合馈电的驻波特性直接馈电的驻波特性图4 f=1590MHz 一耦合馈电的增益-一直接馈电的增益图5 f=249IMHz 一耦合馈电的增益直接馈电的增、乙rm图 6 轴比(f=l590MHz)图 7 轴

11、比(2491MHz)图8主极化和交叉极化(1590MHZ)图9主极化和交叉极化(2491MHZ)4结论本文介绍了一种层叠的耦合馈电 的双频带圆极化微带天线。和用探针直 接馈电相比，圆形贴片耦合馈电改善了 阻抗带宽和低仰角增益。该天线在两个 工作频率下同时得到了较好的圆极化 辐射特性。参考文献1 Chis-Ming Su and Kin-Lu Wong, A dual-band GPS microstrip antenna, Microwave and Optical Technology Letters., Vol. 33, No. 4, May 20022 Ying-feng Zhang,

12、Sha-wei Lv, XIAN-Liang Luo, A dual-frequency microstrip antenna with wider beam and higher gain at low-angle, IEEE International Symposium on Microwave Antenna Propagation and EMC Technologies For Wireless Communications. 20073 S. -L. S. Yang, K. -F. Lee, A. A. Kishk, and K. M. Luk, Design and study

13、 of wideband single feed circularly polarized microstrip antennas, Progress In Electromagnetic Research, PIER 80,4561,20084 M. Davidovitz and Y. T. Lo, Rigorous analysis of a circular patch antenna excited by a microstrip transmission line, IEEE Trans, Antennas Propagat. , vol. 37, no. 8, Aug. 19895

14、 Dr. Max Amman5 Design of Rectangular Microstrip Patch Antennas for the 2. 4GHz Band, Applied Microwave Oireless, pp. 24-34, Nov 19976 A. Pirhadi5 M. Hakkak, and F. Keshmiri, Using electromagnetic bandgap supertrate to enhance the bandwidth of probe-fed microstip antenna, Progress In Electromagnetic

15、 Research, PIER 61, 215-230,20067 T. Chakravarty, S. M. Roy, S. K. Sanyal5 and A. De, A novel microstrip patch antenna with large impedance bandwidth in VHF/UHF rang, Progress In Electromagnetic Research, PIER 54,8393,20058 M. A. S. Alkanhal and A. F. Sheta, A novel dual-band reconfigurable square-r

16、ing microstrip antenna, Progress In Electromagnetic Research, PIER 70, 337-349,20079 Xiang-fei Peng, Shu-shi Zhong, Sai-Qing Xu, and Qiang Wu5 Compact dual-band GPS microstrip antenna, Microwave and Optical Technology Letters/ Vol, 44, No. 1, Jan 5 200510 Zhou. Y, Chen. C. -C. , Volakis. J. L, Dual band proximity-fed stacked patchantennafor tri-band GPS ap