付靖娟 葉志清

[摘要]設(shè)計(jì)一種同時(shí)工作在S波段和C波段的雙頻微帶天線。天線的雙頻特性通過在矩形貼片上加載縫隙來實(shí)現(xiàn),并采用同軸線饋電。通過基于有限元法的高頻電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS仿真,從天線的回波損耗和方向圖分析天線的性能。從仿真結(jié)果可以看出,該結(jié)構(gòu)有很好的雙頻特性,中心頻率分別為2.33GHz和4.60GHz,且在工作波段有良好的增益特性,均在3db以上。同時(shí)發(fā)現(xiàn)改變縫隙的長(zhǎng)度對(duì)天線的頻率影響較大,縫隙寬度的改變對(duì)天線的頻率影響極小。

[關(guān)鍵詞]微帶天線雙頻縫隙HFSS

中圖分類號(hào):TN822文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)1210015-02

一、引言

當(dāng)今,微帶天線在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。包含了衛(wèi)星通訊系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)絡(luò),整合封包無線服務(wù)、直播衛(wèi)星[2],全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)[3]、區(qū)域多點(diǎn)分配服務(wù)以及低功率的個(gè)人行動(dòng)通訊設(shè)備[4]等,都朝向多任務(wù)、高速寬頻的方向發(fā)展。

隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展,已有的頻段顯得越來越擁擠,為了增加信道數(shù)量常常要求采用新的頻段。微帶天線易于實(shí)現(xiàn)雙頻和多頻工作,應(yīng)用廣泛[5]。為了能夠使微帶天線雙頻工作,通?？梢酝ㄟ^以下幾種方法來實(shí)現(xiàn):(1)多貼片;(2)槽加載;(3)集總元件加載。

蝶形天線[6]能夠?qū)崿F(xiàn)天線的小型化,能工作在兩個(gè)諧振頻率上;矩形和三角形縫隙加載天線[7]也是比較可行的方法;L.Shafai等人提出了一種孔徑藕合的雙槽微帶天線的結(jié)構(gòu)[8],這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是:通過改變槽的尺寸、位置、數(shù)目和方位,可以調(diào)節(jié)兩個(gè)或多個(gè)諧振頻率;另一種較復(fù)雜的開槽天線[9]能夠工作在0.9GHz和1.8GHz,同時(shí)VSWR≤2的帶寬達(dá)到了20%,但VSWR<1.5的帶寬不是很理想。

多貼片和集總加載都會(huì)使天線的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜,而槽加載作為一種簡(jiǎn)單的加載方式,可以在單層微帶天線上實(shí)現(xiàn)雙頻,易于制作和調(diào)試,且容易與微波電路集成。在貼片上引入縫隙相當(dāng)于加載一個(gè)電抗[10],調(diào)節(jié)這個(gè)電抗(即改變縫隙的長(zhǎng)度和寬度),就可以改變兩個(gè)諧振頻率的距離。

本文提出了引入縫隙實(shí)現(xiàn)雙頻工作的微帶天線。使用HFSS對(duì)天線進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果良好。文中給出了縫隙尺寸參數(shù)對(duì)雙頻的影響規(guī)律,同時(shí)仿真結(jié)果表明天線可以很好的工作在S波段和C波段,且在雙頻率上都可保證一定的帶寬和增益,尺寸也得到了一定的縮減。

二、天線結(jié)構(gòu)的提出

圖1給出了微帶天線的結(jié)構(gòu),矩形貼片的尺寸為W×L,兩縫隙的中心分別位于貼片的和 處,長(zhǎng)度分別為 和 ,兩個(gè)縫隙的寬度相等,均為 ,介質(zhì)層的介電常數(shù)為,高度為h,尺寸為WG×LG。饋電方式為同軸饋電,饋電點(diǎn)位于寬邊中心軸線上,距離貼片中心的距離為 。

本文利用了HFSS進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定的天線基本尺寸參數(shù)為:

圖1天線的結(jié)構(gòu)圖

三、仿真結(jié)果與分析

首先我們研究縫隙長(zhǎng)度對(duì)諧振頻率的影響。設(shè)定縫隙的寬度為

通過改變 和 得長(zhǎng)度來研究縫隙長(zhǎng)度對(duì)天線頻率的影響規(guī)律,設(shè)定

天線分別諧振在和。表1給出了天線的諧振頻率和縫隙長(zhǎng)度的關(guān)系。

表1諧振頻率與縫隙長(zhǎng)度的關(guān)系

接著我們研究縫隙寬度對(duì)天線頻率的影響規(guī)律。我們選定縫的長(zhǎng)度為

,縫隙寬度 的變化范圍為0.8mm到2mm。表2給出了不同寬度下對(duì)應(yīng)的天線的諧振頻率。

表2不同寬度對(duì)應(yīng)的天線的諧振頻率

通過以上仿真可得以下結(jié)論:

1.縫隙加載可以降低天線的頻率,減小天線的尺寸,實(shí)現(xiàn)天線的小型化。在貼片上開雙縫引入了第二個(gè)頻率,使天線良好的工作在雙頻段,發(fā)現(xiàn)縫隙的長(zhǎng)度與天線的諧振頻率成反比,且縫隙的引入對(duì)的影響較為明顯,可以看出縫隙加載是導(dǎo)致雙頻工作的主要原因。

2.縫隙的寬度對(duì)天線的諧振頻率影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度的影響。

根據(jù)以上的研究,本文提出一種同時(shí)工作在S波段和C波段的雙頻微帶天線,天線的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:

。仿真后得到天線的性能參數(shù)(表3),S參數(shù)圖(圖2),工作在2.33GHz時(shí)的E面和H面圖(圖3),工作在4.60GHz時(shí)的E面和H面圖(圖4):

表3天線的性能參數(shù)

由以上仿真結(jié)果可以看出,天線諧振于2.33GHz和4.60GHz,縫隙的加載使天線的尺寸減小,同時(shí)引入了雙頻率。

半平面的H面方向圖幾乎是全方向的。

四、結(jié)論

圖2天線的S參數(shù)圖

圖3 工作在2.33GHz時(shí)的E面和H面圖圖4 工作在4.6GHz時(shí)的E面和H面圖

本文使用HFSS進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過縫隙加載技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙頻,研究了縫隙的長(zhǎng)度和寬度對(duì)天線頻率的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)縫隙的長(zhǎng)度對(duì)天線頻率影響較大,縫隙寬度對(duì)天線頻率影響極小。并利用在貼片表面開對(duì)稱縫隙的方法,設(shè)計(jì)出工作在S和C波段的雙頻微帶天線,而且這種天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于制作。證明了槽加載方式是實(shí)現(xiàn)天線小型化和雙頻工作的有效方式。

參考文獻(xiàn):

[1]Kin Lu Wong,Design of Nonplanar Micro strip Antennas and Transmission Line[M].New York:Wilev,1999.

[2]R.M.Sorbello,A.I.Zaghoul.J.Effland and D.Difonzo,"A high-efficiency flat plate array for direct broadcast satellite application,"1988 European Microwave Conference.pp.295-299.

[3]C.H.Ho.P K.Shumaker,K. B.Smith,"Microstrip-fed cylindrical slot 46 antenna for GPS application”1997 IEEE AP-S Int.Symp.Dig.Pp.2214-2218.

[4]K.Fujimoto and J.R.James,Mobile antenna systems handbook,Artech house Boston,1994.

[5]Feliziani,M.and Orlandi,A.Lightning stroke to a structure protection system-PartⅡ:Electromagnetic fields analysis,in Proc.6th Int. Symp[J].High-Voltage Eng.New Orleans,LA,Aug.28-Sept.1989,(1):109-112.

[6]張需溥、鐘順時(shí),蝶形微帶天線的諧振頻率與雙頻設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào),2003,19(2).

[7]馮彬、廖安謀、蘇東林,一種雙頻微帶天線方案的分析與設(shè)計(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2002,20(1).

[8}L Shafai and X H Yang.Antenna performance enhancement by slotted micro strip patches[J].Electro.Lett.,1993,29(18):1647-1649.

[9]C.Dclaveaud and C.Brocheton Dual-band behavior printed dipole[J].Electronics Letters.2000,36(14).

[10]鐘順時(shí),微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1991.

作者簡(jiǎn)介:

付靖娟(1985-),女,碩士研究生,主要從事光電子器件的研究。

導(dǎo)師簡(jiǎn)介:

葉志清,男,碩導(dǎo),主要從事光纖通信方面的研究。