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侧馈微带天线的研究与设计
侧馈微带天线的研究与设计
[摘要]近年来,随着无线通信产业的蓬勃发展,诸如手机、WLAN无线网卡、射频识别(RFID)、蓝牙和全球卫星定位系统(GPS)等产品都需要使用天线来发射和接收无线电信号。
微带天线一般应用在1~50GHz频率范围,特殊的天线也可用于几十兆赫兹。
微带天线以其体积小、重量轻、低剖面等独特的优点引起了相关领域的广泛重视。
设计这种天线首先要保证它的谐振频率不能发生偏离。
本文给出了侧馈微带天线详细的设计流程,首先根据理论经验公式初步计算出矩形微带天线的尺寸,然后在HFSS软件里建模仿真,根据仿真结果反复调整天线的尺寸,直到中心频率不偏离。
微带天线固有的缺陷是窄带性,它的窄带性主要是受尺寸的影响,本文在不改变天线中心频率的前提下,通过理论经验公式与仿真软件的结合,给出了微带天线比较合理的尺寸。
由驻波比仿真结果,可以看出在438MHz-450MHz频率范围内,驻波比VSWR<2.5,符合设计要求。
[关键词]:
矩形微带天线驻波比增益HFSS
Researchanddesignofside-fedmicrostripantenna
Author:
WangYongchao
(Grade09,Class1,MajorofElectronicandInformationEngineering,SchoolofPhysicsandTelecommunicationEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723003,Shaanxi)
Tutor:
JiaJianke
Abstract:
Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofwirelesscommunicationindustry,suchasmobilephones,wlanwirelessLAN,radiofrequencyidentification(RFID),Bluetoothandsatelliteglobalpositioningsystem(GPS)andotherproductsrequiretheuseofantennastotransmitandreceiveradiosignals.Microstripantennasaregenerallyusedinthe1~50GHzfrequencyrange,theantennacanalsobeusedforspecialtensofMHz.Microstripantennasarecausedwiderelatedfieldwithitssmallvolume,lightweight,lowprofile,andotheruniqueadvantages.Iftheantennaisdesigned,Firstdesignoftheantennamustensurethatitsresonancefrequencycannotbedeviated.Thedetailsofthedesignprocessaregiveninthispaper,Accordingtopreliminarytheoreticalempiricalformulatocalculatethedimensionsofarectangularmicrostripantenna,andthenmodelingandsimulationinHFSSsoftware,accordingtothesimulationresultstoadjustthesizeoftheantennaagainandagain,untilthecenterfrequencydoesnotdeviate.inherentflawsofmicrostripantennaisnarrowbandwidth,thenarrowbandwidthinfluencebysize,whendoesnotchangethepremiseofthecenterfrequencyoftheantenna,throughacombinationofempiricalformulatheoreticalandsimulationsoftware,thereasonablesizeofmicrostripantennaisgiven.SimulationresultsfromtheVSWR,ascanbeseeninthe438MHz-450MHzfrequencyrange,thestandingwaveVSWRlessthan2.5,complywiththedesignrequirements.
Keywords:
rectangularmicrostripantennastandingwaveratiothegainHFSS
1绪论
1.1课题研究背景及意义
早在1953年就有人提出了微带辐射器的概念,但是直到七十年代初期才首次研制成实际的微带天线。
由于微带天线的一系列优点,近年来,随着无线通信产业的蓬勃发展,诸如手机、WLAN无线网卡、射频识别(RFID)、蓝牙和全球卫星定位系统(GPS)等产品都需要使用天线来发射和接受无线电信号。
微带天线以其体积小,剖面低,易集成,造价低等特性以及良好的性能受到了高度关注。
微带天线现已广泛应用于大约100MHz~100GHz的宽广频域上的大量无线电设备中,特别是在飞行器和地面便携式设备中;需圆极化或双极化、双频段工作的场合。
现代移动通信要求天线能够具有多频段(或宽频带)工作的能力。
于是设计出实用的小型化、多频度微带天线己经成为一种迫切要求。
在必须考虑重量、大小、特性要求、价格、易安装以及符合气体动力外观等因素的卫星以及全球定位系统、高性能飞机、无线通讯和移动通讯等诸多高度发展的应用中都需要具有低剖面、易与微波集成电路集成、能平贴于任何平面或曲面的外观特性、而且易制作等优点的微带天线。
因此,越来越多的研究投入放在如何改善它们的缺点,充分利用它们的优点,使它们更适合于实际的应用上。
一般的用于卫星导航系统上的天线,其大小和形状都有比较严格的规定,一般选用体积小且重量轻的天线,另外,在卫星导航系统中,为了能使接收天线接收地平线上五度视野内所有天空中的可见卫星信号,人们希望所用的天线是全向天线[1]。
1.2微带天线的定义及分类
结构最简单的微带天线是由贴在带有金属地板的介质基片(相对介电常数≤10)上的辐射贴片所构成。
贴片导体通常是铜合金,它可取任意形状。
但是,通常都用常规的形状以简化分析和预测其性能。
基片的相对介电常数应该较低,这样可增强产生辐射的边缘场。
但是,其他的性能则要求使用相对介电常数大于5的基片材料。
按照结构特征把微带天线分为两大类,即微带缝隙天线和微带贴片天线。
按工作原理分类,无论是贴片天线还是缝隙天线,都可以分成谐振型(驻波型)和非谐振型(行波型)微带天线。
还可以按形状分类,例如矩形、环形天线、圆形等。
1.3微带天线的性能
同常规的微波天线相比,微带天线具有下列主要优点[2]:
体积小、重量轻、剖面薄的平面结构,可与导弹等载体共形;能与有源电路一起集成,可用印刷电路技术批量生产;制造成本低,加工简单;可以做的很薄,因此,不扰动宇宙飞船的空气动力学性能;便于获得圆极化、双极化和双频段等多功能工作;天线的散射截面较小;不需要背腔;微带天线适合于组合式设计;馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。
但是,微带天线也有一些缺点[3]:
常规设计的频带窄,其相对带宽约为0.01~0.07;有导体和介质损耗,会激励表面波,使增益和辐射效率降低;大多数微带天线只向半空间辐射;可能存在表面波;最大增益实际上受限制(约为20dB);端射性能差;馈线与辐射元之间的隔离差;功率容量较小,一般用于低功率发射和接收场合。
目前,采用一些办法可以减小某些缺点。
例如,只要在设计和制造过程中,使截止频率远高于使用频率就可抑制或消除表面波。
但某一性能的的提高往往是以牺牲某方面为代价的。
1.4微带天线的应用
由于微带天线独特的优点,加上它的一些缺点正在研究克服,以及在生活中使用的日益增多,再加上微带天线能集成化,可以看到,在将来大部分的应用中,它终将取代常规天线。
微带天线在一些显要的系统中已经得到了很好的应用:
多普勒及其他雷达;卫星通讯;指挥和控制系统;导弹遥测;无线电测高计;武器信管;环境检测仪表复杂天线中的馈电单元;生物医学辐射器;;便携装置和遥感;卫星导航接收机。
随着对微带天线应用可能性认识的提高,微带天线的应用场合将继续增多,应用前景将越来越广阔。
对于可移动卫星通信系统,地面车用天线需要的方位角覆盖范围为360°,且在低俯仰角上要有较高增益的圆极化天线,在文献[4]中介绍到了一种圆环贴片微带天线,其特点是结构简单、剖面比较低且造价便宜。
1.5微带天线发展方向
众所周知,微带天线的致命缺点是频带非常窄,这是由于它是一种谐振式天线,它的谐振特性相当于一个高Q值的并联谐振电路,因此要想使微带天线的带宽有所增加,应该从降低它的Q值入手。
这里给出了几种降低Q值的几种方法[5]:
1.增加微带介质厚度;2.降低微带介质的相对介电常数;3.采用有耗介质;4.对馈电电路采用宽带阻抗匹配;5.采用对贴片谐振。
前面三种方法的效果不明显,而且第三种方法还是以牺牲天线的增益为代价的,第四种方法电路结构复杂,制造难度大,且需要设计宽带匹配电路,第五种方法虽然能有效增加带宽,但却增加了天线的结构尺寸。
由于现代科技的迅猛发展,随着电子技术和材料科学以及相关学科的不断进步,能够提高和改善微带天线性能的新技术、新方法、新工艺和新材料会不断涌现,促使侧馈微带天线向高性能、多功能的方向发展和完善。
主要有以下几个方面的研究:
宽频带技术的研究,超宽频技术的研究[6],双频及多频化的研究[7],微带天线小型化的研究[8]等。
2微带天线理论
2.1微带天线的分析方法概述
微带天线的形式很多,其中主要形式的微带天线有微带振子天线、微带线形天线、微带缝隙天线和微带贴片天线等。
微带贴片天线是在带有导体接地板的介质基片上附加导体贴片构成的天线,贴片可以是圆形、矩形和窄条形等各种规则形状。
微带贴片天线的馈电方式有微带线馈电和同轴线馈电,在接地板和导体贴片之间激励起射频电磁场,并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。
现在比较成熟的分析微带天线的方法很多,包括传输线法、格林函数法、腔模理论、积分法和有限元法等,这些方法并不是单一的,而是相互联系的,它们能相互补充。
我们通常使用的微带天线都是窄频带的,它的窄带性质主要表现在对频率的稍许变化就能使输入阻抗明显改变,因此研究微带天线的谐振频率和特性阻抗就变得非常重要,通常微带贴片天线只工作在谐振频率附近,这也是评价微带天线分析方法好坏的一个重要依据[9]。
用以上各种方法分析得到的微带天线方向图,一般情况下,得到的结果都是基本一致的,尤其是主波束。
2.1.1传输线模型法
传输线模型法是最早由芒森在1974年提出的,是最早的也最简单的分析微带天线的方法,只适用于矩形微带贴片天线,它将一矩形微带贴片天线等效为一段传输线,两端有辐射缝隙的等效导纳加载,它把微带天线的分析简化为一维传输线问题。
采用这种方法的前提是基于两条基本假设[9]:
(1)接地板和微带片构成了一段传输线,传输的是准TEM波,而波的传播方向由馈电点决定,准TEM波的波长用λ来表示,线段长度L的值约为半个波长,即L=λ/2。
场在传输方向上为驻波分布,而在垂直方向(图中对应的是宽度方向)上的分布是常数。
(2)我们可以把传输线的两个开口端-始端和末端-等效为两条辐射缝隙,如图2.1,宽度为W,长度为h,传输线开口端的场强即为缝隙的口径场。
如果缝平面位于微带片两端的延伸面上,那么开口面就由原来的方向向上折转了90°,而口径场强也随之折转。
Y
X
W
ZLh
图2.1传输线法物理模型
基于上面的两条基本假设,当
时,两条缝隙的切向电场沿图中的x方向,并且它们的幅度是相等的。
把它们看作是等效磁流,由于接地板的作用,根据镜像原理,相当于有二倍磁流向上半空间辐射。
若V为传输线开口端电压,那么缝隙上等效的磁流密度表达式为:
(2.1)
传输线法在各种方法中是最直观最简单的方法,但是这种方法也有它的局限,首先,由于传输线模式的限制,该方法只适合于矩形微带天线贴片天线和微带振子天线。
虽然圆形微带天线也可以有径向传输线与之对应,但是由于中心馈电的圆形元辐射特性差,故工程上不采用这种方法。
除此以外,传输线法还有另一个主要缺点,在除了谐振点的其他各点处,我们能分析出输入阻抗(导纳)曲线随着频率变化的偏差较大。
由于传输线模型可看成是单谐振回路,所以谐振频率点附近阻抗特性是关于谐振频率点对称的,用smith圆图表示出来的阻抗曲线是关于实轴对称的;另外当馈电点的位置沿图中的宽度方向(波的垂直方向)上变化时,它的阻抗值并不会跟着发生改变,这主要是因为传输线的模型是一维的,以上这两点与实验都是很不相吻合的。
实验验证表明,阻抗曲线的变化不是由馈电点的一维位置决定,而是由二维位置决定的,当馈电点由边缘向中心移动时,阻抗曲线的不对称分布逐渐显著,并向电感区收缩。
这是由于传输线本身性质的缺陷造成了这种实测与理论的偏差。
因为微带天线能够传输的不只是最低阶的传输线模式场,其中还存在着其他高次模式场,一旦失谐,这些高次模式场的作用就显现出来了。
通常来说,在辐射边附近馈电而且要求馈电点位于该边的对称轴上时,用传输线法比较方便,此时计算出来的阻抗曲线才有较大的参考价值。
传输线法的另一个不完善之处在于缝导纳的计算,它的电纳部分通常是按准静电法计算的,因此得到的等效伸长量在高频条件下是不够准确的,故实际上往往是通过对样件的实测来确定伸长量,这样得到的数据更可靠些。
2.1.2有限元法
当前,使用有限元法作为内核的商用电磁仿真软件主要是:
AnsoftHFSS。
有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。
由于单元能按不同的联结方式进行组合,且单元本身可以有不同形状,因此可以把几何形状复杂的求解区域模型化。
有限元法作为数值分析方法的一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数,分片地表示全求解域上待求的未知场函数。
单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数表达。
这样,一个问题的有限元分析中,未知场函数或其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量(即自由度),从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。
一经求解出这些未知量,就可通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值,从而得到整个求解域上的近似解。
显然,随着单元数目的增加,即单元尺寸的缩小,或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高,解的近似程度将不断改进。
如果单元是满足收敛要求的,近似解最后将收敛于精确解。
有限元法的优点在于:
1)对于复杂几何构型的适应性。
2)对于各种物理问题的可能应用性。
3)建立于严格理论基础上的可靠性。
4)适合计算机的高效性。
有限元法是从里兹变分法发展起来的,它的基本原理是:
把连续的区域分成若干个不重叠的单元,在每个单元内规定一个基函数。
在其他区域此基函数为零,每个单元内的基函数只在本单元内解析,最后把所有单元组合起来,这种组合区域是原有区域的近似。
微带天线的有限元解法,通常只应用于内场,这是由于微带片面积是有限的,因而结点数目不需太多,并且内场解得后,天线的谐振频率、输入阻抗等均直接求得,外场亦可通过内场解出。
为此,通常在外边界处规定导纳边界条件,而将内外区域分离。
2.1.3其他分析方法
分析微带天线常用的方法是矩量法。
微带天线用矩量法计算时,有两个相对概念,即谱域矩量法和空间域矩量法。
腔模理论、积分方程法和其他数值方法。
因为本文是用HFSS软件进行设计矩形微带贴片天线的,所以本文用到的是有限元法。
而理论求解微带天线的尺寸时用到的是传输线法,因此对其他分析方法不再作具体介绍。
2.2展宽微带天线频带和提高增益的主要方法
2.2.1展宽微带天线频带的方法
(1)改变贴片结构
这种方法包括:
采用多贴片结构,电磁耦合馈电;在贴片或接地板上开槽;在电路中采用非线性调制元件,如变容二极管。
采用多贴片结构,它是通过寄生耦合,利用每个贴片天线的谐振中心频率各不相同,而各个谐振带宽又相互交叉,使整个天线的总体带宽展宽,根据类似的原理已研制成了多层贴片构成的微带天线,但这样会增加微带天线的厚度。
在微带贴片天线的不同位置开不同形状的槽或缝隙,可等效成引入阻抗匹配元件,使微带天线的馈电端形成多级的等效谐振电路,从而实现频带的展宽[10]。
使用这一方法的一个成功的例子是微带U型槽天线,U型槽微带天线中心频率1815MHz,相对带宽达到27.5%。
(2)采用特殊基片
这种方法包括:
采用非线性基板材料和采用楔形或阶梯形基板。
(3)采用厚基板
从物理意义上讲,基板厚度增大之所以能使加宽频带是由于厚度h的增加会使辐射阻抗随之减小,是辐射对应的Q下降。
(4)运用加载技术
(5)采用相对介电常数较小或者
较大的基板
(6)附加阻抗匹配网络
(7)采用非线性调整元件
(8)采用对数周期结构
(9)采用多层结构
(10)采用附加无源贴片
(11)采用行波辐射源
(12)采用在贴片或接地板“开窗”的办法
2.2.2提高增益技术
微带天线的另一个主要缺点是低增益特性。
近年来人们对关于如何提高微带天线增益的问题展开了大量研究工作[11]。
主要方法有:
(1)把介质层加盖到贴片上。
这种方法是通过调整介质基片和加盖介质层的厚度值,可以在任意你想要的角度上得到较高的增益。
(2)采用与辐射单元一体化设计技术制成的有源微带天线。
这种方法的优点在于,它在微带天线中引入了微波固态放大器,集有源器件和微带天线于一体,使的微带天得到了额外的增益。
此外,低次模可得带宽,高次模可以有高增益。
因此带宽的增加是以增益的牺牲为代价的,反之也一样。
3矩形微带贴片天线
3.1结构和设计要求
矩形微带贴片天线的结构图如图3.1所示:
该图微带线表示的馈电方式是侧馈,除了这种馈电方式外,矩形微带贴片天线还有一种馈电方式—背馈,后面将介绍到用同轴接头的芯线穿过接地面和介质板的背馈来激励。
图中各参数表示为:
损耗正切tan
,介质板厚度h,辐射元长度L,基板相对介电常数
,基板长度LG基板宽度WG,和辐射元宽度W。
设计时会根据工程需要提出技术指标,主要包括以下几个方面:
(1)频带宽度以及谐振频率。
(2)方向特性,即方向性系数D,波束宽度及增益G。
(3)阻抗特性,一般以天线的输入端电压驻波系数小于某一给定值的频带范围表示。
(4)外部调整手段,一般指的是输入阻抗和谐振频率的可调性。
(5)极化特性,线极化时通常给定允许的交叉极化电平。
(6)条件环境下的工作特性,一般包括在给定的温度、湿度、低气压、冲击、振动及运输条件下所必需满足的各项机械和电气的性能指标。
(7)机械结构要求,包括最大的安装面积和高度限制、安装条件及对天线防护盖板的技术要求。
LG
馈线
WG
介质辐射元
接地板
图3.1矩形微带贴片天线示意图
为了更好的满足上述提出的设计要求,要兼用理论和实验的手段,以便降低研制成本并提高研究效率。
3.2矩形微带贴片天线的辐射原理
理论上可以采用传输线模型法来分析其性能,假设辐射贴片的长度近似为半波长,宽度为W,介质基片的厚度为h,工作波长为λ。
可以将辐射贴片、和接地板视为一段长度为λ/2的低阻抗微带传输线,且传输线的两端断开形成开路。
如果使介质基片的厚度h<<λ,故电场沿着厚度h方向基本没有变化。
在理想的最简单的情况下,可以假设电场沿着宽度w方向也没有变化。
那么,在只考虑主模激励的情况下,辐射基本上可以认为是由辐射贴片开路边的边缘引起的,如图3.2。
在两开路的电场可以分解为相对于接地板的垂直分量和竖直分量。
由于辐射贴片长度约为半个波长,因此两开路段电场的垂直分量方向相反,水平分量方向相同。
所以,两开路端的水平分量可以等效为无线大平面上同相激励的两个缝隙,缝隙的宽度是△L,(近似等于基片厚度h),长度为w,两缝隙相距为半波长,缝隙的电场沿着w方向均匀分布,电场垂直于w方向。
如图3.3所示。
如果介质基片中的场同时沿宽度和长度方向变化,这时微带天线应该用辐射贴片周围的四个缝隙的辐射来等效。
缝隙
h
\
图3.2辐射场分布图图3.3等效辐射场图
3.3矩形微带天线的馈电方法
微带贴片天线是最基本和最常用的微带天线形式[12],它是由导体薄片贴加在带导体接地板的介质基片上形成的。
通常所用的辐射是由微带线或同轴线这类馈线引起的,使接地板与导体贴片之间激励起射频电磁场,并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。
导体贴片一般选用的是规则形状的面积单元,如圆形、圆环或矩形形薄片等;也可以选用窄长条形的薄片振子。
不过后者形成的天线称为微带振子天线。
如果辐射是利用微带线的某种变形来产生的,又称为微带线形天线,这种天线大多沿线传输的是行波,故而又称为微带行波天线。
也可让辐射来源于开在接地板上的缝隙产生,由基片另一侧的微带线或其他馈线对其馈电,这便是印刷缝隙天线或微带缝隙天线。
这四种是微带天线的主要形式。
3.3.1微带线馈电
微带线馈电又称为侧馈[13],它用与微带辐射贴片集成在一起的微带传输线馈电,它有两种馈电形式,馈电点的位置取决于是激励哪种模式:
可以中心馈电,也可以偏心馈电。
对于微带传输线的馈电方式,当微带天线的尺寸确定以后,可以用以下方法进行阻抗匹配:
先将中心馈电天线辐射贴片同50欧姆馈线一起光刻,测量出输入阻抗后,就可以设计出阻抗匹配器,然后在馈线与天线辐射贴片之间接入该阻抗匹配器,重做天线。
用微带线方式馈电时,馈线与微带贴片是在一个平面上的,因此比较简单容易制作。
但是由于有馈线本身也会辐射的缺点,从而干扰功率方向图,降低增益。
由于馈电点的位置与微带贴片天线的输入阻抗有关,因此可以通过选择适当的馈电点位置使馈线与天线的特性阻抗达到匹配。
在进行理论计算分析时,可以把贴片与馈线的连接处垂直于微带面的一个薄电流片看成是微带馈源,这时就可以认为微带线的等效宽度就是电流片的宽度。
3.3.2同轴线馈电
同轴线馈电又被称为背馈,它是将同轴插座安装在接地板上,同轴线内的导体穿过介质基片接在辐射贴片上。
用同轴线方式馈电的优越性在于:
(1)馈线在接地板的下方,这样一来不会对天线的辐射造成大的影响;
(2)贴片空腔内的任意一个位置都可以选择放探针,这样一来有利于馈线与天线的阻抗达到匹配。
不过这种馈电方式也有它的缺点:
很难集成,不宜用在天线阵上使用,那样会带来烦劳的加工工作量
以上这两种馈电方式主要应用在微带单元天线中,比如本文的设计对象--矩形微带贴片天线。
实际上不但但有这两种馈电方式,随着科技的进步,近年来出现了多种电磁耦合型馈
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