片下面是介质板, 由绝缘介质构成, 最下层的是无限大的导体接地板 参数 增益的影响 (a)sub_hmin 对 S 参数的影响 图 1 典型微带天线结构图 微带天线的辐射原理是 : 在导体贴片与接地板之间激励起电磁场, 并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射, 辐射场是贴片边沿与接地板之间的缝隙场

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1 一种新颖的宽带微带天线 刘广燕杨宏春张连红阮成礼 ( 电子科技大学物理电子学院, 成都 ) 摘要 : 微带天线的窄带特性是限制其广泛应用的重要原因之一, 如何展宽微带天线的带宽一直受到人们的广泛关注 本文提出了一种新颖的小型宽带圆极化的微带天线, 其形状像 8, 通过 CST 对提出的天线建模并仿真, 通过优化该模型可使其带宽达到 1.053GHz, 在工作范围内某一频点上增益高达 9.2dB, 该天线可用于卫星接收以及手机天线 关键词 : 小型化 ; 宽频带微带天线 ;8 字形 ; 高增益 A kind of small and wideband microstrip antenna Liu Guangyan Yang Hongchun Zhang Lianhong Ruan Chengli (University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu ) Abstract: The narrow-band characteristics of microstrip antenna badly restrict its extensive applications, how to broaden the bandwidth of microstrip antennas has been hot subject for people. This paper presents a novel small broadband microstrip antenna of circular polarization, "8" shape. The proposed antenna is modeled and simulated by virtue of CST, through optimization, the bandwidth can reach 1.053GHz, gain is up to 9.2dB within its work frequency. The antenna can be used for satellite reception, as well as phone antennas. Keywords: Small Size; Wideband Microstrip Antenna; 8 Shape; High-Gain 1 引言 微带天线是 20 世纪 70 年代初期研制成功的一种新型天线 和常用的微波天线相比, 它有以下一些特点 : 体积小, 重量轻, 低剖面, 能与载体 ( 如飞行器 移动通信终端 ) 共形 ; 制造成本低, 易于批量生产, 可以用简单馈电实现线极化和圆极化 ; 散射面小, 易于制作双频 双极化天线 ; 能方便地与有源器件和微波电路集成, 馈线和匹配网络可以与天线结构一起制造等 [1] 并且可以组阵以获得更高的增益和更宽的带宽 因此越来越受到研究者的广泛关注 微带天线根据其辐射单元形式分为四大类 : 微带贴片天线, 微带振子天线, 微带缝隙天线, 微带行波天线 微带天线的窄频带特性限制了它的广泛应用, 因此展宽微带天线的带宽具有十分重要的意义, 目前的方法有增加寄生单元, 增加基片的厚度 减小基片相对介电常数, 利用匹配网络, 采用楔形或阶梯形基板, 采用非线性基板材料, 采用非线性调整元件, 采用多层结构, 采用在贴片或接地板开窗的办法等 [2-6] 本文提出了一种实用的 概念简单 适合工程使用的微带天线的设计方法, 该天线结构类似 8, 在工作范围内具有很高的增益, 适合做卫星接收天线, 并且制造工艺比较简单 2 微带天线结构以及辐射原理 早在 1953 年 G.A.Decamps 教授就已提出利用微带线的辐射来制成微带天线的概念 微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线, 它利用微带线或同轴线等馈电, 典型的微带天线结构如图 1 所示 这是一片矩形微带贴片天线, 它有三层构成 : 最上层是一矩形金属片, 金属 237

2 片下面是介质板, 由绝缘介质构成, 最下层的是无限大的导体接地板 参数 增益的影响 (a)sub_hmin 对 S 参数的影响 图 1 典型微带天线结构图 微带天线的辐射原理是 : 在导体贴片与接地板之间激励起电磁场, 并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射, 辐射场是贴片边沿与接地板之间的缝隙场产生的, 因此微带天线也可以看成是一种缝隙天线 (b)sub_hmin 对增益的影响 3 宽带微带天线的设计与分析 本文提出的微带天线的结构模型如图 2 所示 它有三层构成 : 最上层是一 8 字形金属片, 金属片下面是介质板, 由绝缘介质构成, 介电常数为 4.2, 最下层的是无限大的导体接地板 该天线采用在 8 字形微带之间同轴馈电, 同轴的外导体由接地板开洞而成, 内导体的半径与 8 字环的宽度相等, 该天线的阻抗设计为 75 欧, 所以外导体的半径大约为内导体半径的 3.5 倍 图 3 通过 CST 仿真软件进行仿真计算, 同时兼顾各参数, 可得到最终仿真的结果 图 4 给出 S 参数 增益 以及部分频率点的方向图 (a)s 参数 (a) 微带天线的俯视图 (b)f=11ghz 的方向图 (b) 微带天线的俯视图 图 2 该天线可以通过优化尺寸使性能达到最佳 通过仿真计算可以看出, 8 字形金属在 Z 向的位置对天线的性能影响较大, 下面图 3 给出了该参数对 S (c)f=11.5ghz 的方向图 238

3 通过以上的仿真结果可以看出 S 参数在 -10dB 以下的带宽可以达到 1.053GHz, 由方向图可以看出该天线是双向天线, 但在工作范围内, 其主辐射方向在一个方向上 4 结论 (d)f=12ghz 的方向图 通过计算可以看出, 该 8 字形微带天线可以获得较宽的匹配带宽, 并且可以双向辐射, 但主辐射方向没有没有大幅度的偏移, 增益高达 9.2dB, 馈电简单 这种结构的微带天线在无线通信等领域应用前景广阔 (e)f=12.5ghz 的方向图 图 4 参考文献 [1] 钟顺时. 微带天线理论与应用 [M]. 西安 : 西安电子科技大学出版社, [2] CroqFrederic,Pozar DM.Millimeter2wave design of wideband aperture coupled stacked microstrip antennas[j].ieee Trans AntennasPropagat,1991,AP239(12) :1170 ~1176. [3] Kossiavas G,Papiernik A. A circular or linearly polarized broadband microstrip antenna operating in L band[j ].Microwave J,1992 (5) :266~272. [4 ] Zurcher J F, Gardiol F.Broadband patch antennas[m]. Norwood :Artech House Inc, [5] Kumar G,Gupta K C. Nonradiating edges and four edges gap coupled with multiple resonator, broadband microstrip antennas [ J ].IEEE Trans Antennas Propagat, 1985,33 :173~178. [6 ] Park I, Mittra R. Apertur -coupled small microstrip antenna [J].Electronics Letters,1996,32(19) :1741. [7] Computer Simulation Technology, CST MICROWAVE STUDIO Workflow & Solver Overview,

4 易迪拓培训 专注于微波 射频 天线设计人才的培养网址 :http://www.edatop.com 如何学习天线设计 天线设计理论晦涩高深, 让许多工程师望而却步, 然而实际工程或实际工作中在设计天线时却很少用到这些高深晦涩的理论 实际上, 我们只需要懂得最基本的天线和射频基础知识, 借助于 HFSS CST 软件或者测试仪器就可以设计出工作性能良好的各类天线 易迪拓培训 (www.edatop.com) 专注于微波射频和天线设计人才的培养, 推出了一系列天线设计培训视频课程 我们的视频培训课程, 化繁为简, 直观易学, 可以帮助您快速学习掌握天线设计的真谛, 让天线设计不再难 HFSS 天线设计培训课程套装套装包含 6 门视频培训课程和 1 本图书教材, 课程从基础讲起, 内容由浅入深, 理论介绍和实际操作讲解相结合, 全面系统的讲解了 HFSS 天线设计的全过程 是国内最全面 最专业的 HFSS 天线设计课程, 可以帮助你快速学习掌握如何使用 HFSS 软件设计进行天线设计 课程网址 :http://www.edatop.com/peixun/hfss/122.html CST 天线设计视频培训课程套装套装包含 5 门视频培训课程, 由经验丰富的专家授课, 旨在帮助您从零开始, 全面系统地学习掌握 CST 微波工作室的功能应用和使用 CST 微波工作室进行天线设计实际过程和具体操作 视频课程, 边操作边讲解, 直观易学 ; 购买套装同时赠送 3 个月在线答疑, 帮您解答学习中遇到的问题, 让您学习无忧 详情浏览 :http://www.edatop.com/peixun/cst/127.html 13.56MHz NFC/RFID 线圈天线设计培训课程套装套装包含 4 门视频培训课程, 培训将 13.56MHz 线圈天线设计原理和仿真设计实践相结合, 全面系统地讲解了 13.56MHz 线圈天线的工作原理 设计方法 设计考量以及使用 HFSS 和 CST 仿真分析线圈天线的具体操作, 同时还介绍了 13.56MHz 线圈天线匹配电路的设计和调试 通过该套课程的学习, 可以帮助您快速学习掌握 13.56MHz 线圈天线及其匹配电路的原理 设计和调试 详情浏览 :http://www.edatop.com/peixun/antenna/116.html

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