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        寬帶圓極化犄角形縫隙天線設計

        2017-02-23 09:10:16房浩宇孫如英周寶安
        無線互聯(lián)科技 2017年2期

        房浩宇,孫如英*,周寶安

        (臨沂大學 物理與電子工程學院,山東 臨沂 276000)

        寬帶圓極化犄角形縫隙天線設計

        房浩宇,孫如英*,周寶安

        (臨沂大學 物理與電子工程學院,山東 臨沂 276000)

        文章設計了一款寬帶圓極化縫隙天線。該天線采用微帶線激勵犄角形縫隙,實現了寬帶輻射特性。研究結果表明,該天線具有良好的阻抗匹配帶寬和圓極化輻射性能,其阻抗帶寬(S11< –10 dB)為24.8% (2.2~2.82 GHz),3-dB軸比帶寬為29.2% (2.13~2.86 GHz)。

        圓極化;寬帶天線;縫隙天線;軸比帶寬;阻抗帶寬

        1 現代通信系統(tǒng)發(fā)展背景

        現代通信系統(tǒng)正向大容量、高速化、多任務快速發(fā)展。寬帶天線在移動衛(wèi)星通信系統(tǒng),雷達跟蹤,無線射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)和無線局域網(Wireless Local Area Networking,WLAN)等方面的應用越來越廣泛。然而,很多寬帶天線為線極化方式,已很難滿足惡劣條件下對天線傳輸信號穩(wěn)定性的需求。圓極化天線由于可接收任意極化的來波,其輻射波也可由任意極化天線收到,且不同旋向的電磁波間具有較大極化隔離,能適應復雜環(huán)境和提高抗多徑能力,寬帶圓極化天線的研究日益得到重視[1]。

        微帶縫隙天線由于對加工精度要求低,可以采用標準的光刻技術制作在敷銅電路板上,并且工作頻帶較寬,普遍應用于現代雷達、電子對抗和無線通信等領域。微帶縫隙天線一般采用寬縫結構來實現寬的阻抗帶寬,通過微帶線或共面波導(Coplanar Waveguide,CPW)進行饋電,具有比微帶天線相對更寬的帶寬。國內外對這方面做了許多的研究,而且已經有了不少的研究成果。文獻[2]利用微帶縫隙并在縫隙內引入微擾實現天線的圓極化性能,使這種圓極化縫隙天線的3-dB軸比帶寬可以達到8.5%;文獻[3]中采用環(huán)形縫隙并通過微帶線饋電實現了天線的圓極化性能,并且使天線的3-dB軸比帶寬提高到了11%;文獻[4]采用微帶饋線饋電,使得在接地板上開的環(huán)形縫隙能夠與諧振元件相互作用實現了天線的圓極化性能。文獻[5]采用共面波導饋電正方形縫隙,并在縫隙中引出相互連接的橢圓形金屬片,設計一種新型的圓極化縫隙天線,阻抗帶寬和圓極化帶寬分別達到了15.5%和10.4%。文獻[6]使用CPW進行饋電,通過在矩形縫隙中饋電線末端增加一個小的調諧枝節(jié)調節(jié)阻抗匹配,實現了17.39%的3-dB軸比帶寬。

        本文設計了一款犄角形縫隙寬帶圓極化天線。該天線具有良好的阻抗匹配帶寬和圓極化輻射性能,阻抗帶寬為24.8%(2.2~2.82 GHz),3-dB 軸比帶寬為29.2%(2.13~2.86 GHz),其工作頻段除了中國移動的1 880~1 900 MHz外,還覆蓋了三大運營商2.32~2.655 GHz之間的6個頻段。

        2 天線結構

        在相對介電常數εr =4.4,厚度為1.5 mm的FR4基片上構建如圖1所示的縫隙天線。關于所有阻抗匹配和圓極化性能的研究都是通過ANSYS HFSS 14.0實現的,天線的關鍵參數是以S11和AR性能為優(yōu)化目標得到的。具體的天線幾何參數為L=56 mm,R=42.8 mm,d1=7.6 mm和d2=32 mm,d3=5.3 mm。

        3 仿真與測試結果

        該天線的設計中心工作頻率為2.5 GHz,天線實物照片如圖2所示。天線的阻抗特性由Agilent 8 722 ES網絡分析儀測得,反射系數(S11)的測量值與仿真結果的比較如圖3所示??梢钥闯觯瑢崪y和仿真曲線在帶寬上基本吻合。天線展示出良好的阻抗匹配特性,其仿真的阻抗帶寬為24.8%(2.2~2.82 GHz),實測阻抗帶寬(S11<–10dB)達26%(2.27~2.92 GHz)。天線的軸向的Axial Ratio(θ=0°)隨頻率的變化關系如圖3所示,3-dB 軸比帶寬從2.13~2.86 GH z,覆蓋29.2%,軸比帶寬良好。

        圖1 寬帶圓極化犄角縫隙天線設計結構

        圖2 寬帶圓極化犄角縫隙天線實物

        圖3 仿真與測試的S11曲線

        圖4是天線工作在中心頻率2.5 GHz 時的輻射方向圖。如圖5—6所示,天線在視軸方向為右旋圓極化(RHCP)波,而在相反的方向同時輻射左手圓極化(LHCP)波。天線增益仿真曲線如圖7所示,最佳增益可達到4.19 dB,且在整個工作頻帶內增益平坦。

        圖4 軸比的仿真曲線

        圖5 xoz面上的左旋右旋圓極化方向

        圖6 yoz面上的左旋右旋圓極化方向

        圖7 天線增益仿真結果

        4 結語

        本文設計了一款犄角形縫隙寬帶圓極化天線。天線結構簡單,且具有良好的阻抗匹配帶寬和圓極化輻射性能,能覆蓋ISO/IEC 18000-4 協(xié)議規(guī)定的RFID 的頻率范圍,適合小型化閱讀器使用,在RFID領域具有廣闊的應用前景。

        [1]HAN R C, ZHONG S S.Broadband circularly polarised dielectric resonator antenna fed by wide band switched line coupler[J]. Electronics Letters, 2014(10):725-726.

        [2]WOJCIECH J, KRZYSZTOFIK. CP-microstrip copanar patch antenna for satellite reception[J].Microwave and Optical Technology Letters, 2008(2):372-375.

        [3]SU C W, ROW J S. Slot-coupled micro-strip antenna for broad band circular polarization[J].Electronics Letters, 2006(6):318-319.

        [4]FENG P, TUAN Y, TSAIR R C. Compactslot-coupledmicrostripantennaswithcircularpolarization[J].Microwave and Optical Technology Letters, 2005(1):57-59.

        [5]楊斌.寬帶圓極化與極化可重構縫隙天線設計[D].西安:西安電子科技大學,2010.

        [6]JEERA G, CHATREE M, PRAYOOT A. A wide band circular polarization antenna with tuning rectangular slot fed by CPW[C]. France:IEEE 9th Conference on Echanges et Consultations Techniques Internationaux, 2012.

        Research on broadband circularly-polarized chifre-shaped slot antenna

        Fang Haoyu, Sun Ruying*, Zhou Baoan

        (Physics and Electronic Engineering School of Linyi University, Linyi 276000, China)

        A broadband circularly-polarized slot antenna is designed in this paper. The broadband property of the antenna is basically achieved by the chifre-shaped slot radiator fed with microstrip line. The antenna delivers good performance on impedance matching and circular polarisation, its impedance bandwidth (S11< –10 dB) is of 24.8% (2.2—2.82 GHz)and 3-dB axial-ratio bandwidth is of 29.2%(2.13—2.86 GHz).

        circular polarization; broadband antenna; slot antenna; axial ratio bandwidth; impedance bandwidth

        臨沂大學大學生創(chuàng)新項目;項目編號:201510452136。

        房浩宇(1997— ),男,山東臨沂。

        *通信作者:孫如英(1981— ),女,山東臨沂,講師;研究方向:微波電路與系統(tǒng),天線理論與技術。

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