一种工作在S/C波段的双频微带天线的设计与仿真

付靖娟 叶志清

[摘要]设计一种同时工作在S波段和C波段的双频微带天线。天线的双频特性通过在矩形贴片上加载缝隙来实现,并采用同轴线馈电。通过基于有限元法的高频电磁场仿真软件HFSS仿真,从天线的回波损耗和方向图分析天线的性能。从仿真结果可以看出,该结构有很好的双频特性,中心频率分别为2.33GHz和4.60GHz,且在工作波段有良好的增益特性,均在3db以上。同时发现改变缝隙的长度对天线的频率影响较大,缝隙宽度的改变对天线的频率影响极小。

[关键词]微带天线双频缝隙HFSS

中图分类号:TN822文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1210015-02

一、引言

当今,微带天线在很多领域得到了广泛应用[1]。包含了卫星通讯系统、无线局域网络,整合封包无线服务、直播卫星[2],全球卫星定位系统[3]、区域多点分配服务以及低功率的个人行动通讯设备[4]等,都朝向多任务、高速宽频的方向发展。

随着通信技术的迅速发展,已有的频段显得越来越拥挤,为了增加信道数量常常要求采用新的频段。微带天线易于实现双频和多频工作,应用广泛[5]。为了能够使微带天线双频工作,通常可以通过以下几种方法来实现:(1)多贴片;(2)槽加载;(3)集总元件加载。

蝶形天线[6]能够实现天线的小型化,能工作在两个谐振频率上;矩形和三角形缝隙加载天线[7]也是比较可行的方法;L.Shafai等人提出了一种孔径藕合的双槽微带天线的结构[8],这种结构的优点是:通过改变槽的尺寸、位置、数目和方位,可以调节两个或多个谐振频率;另一种较复杂的开槽天线[9]能够工作在0.9GHz和1.8GHz,同时VSWR≤2的带宽达到了20%,但VSWR<1.5的带宽不是很理想。

多贴片和集总加载都会使天线的结构变得复杂,而槽加载作为一种简单的加载方式,可以在单层微带天线上实现双频,易于制作和调试,且容易与微波电路集成。在贴片上引入缝隙相当于加载一个电抗[10],调节这个电抗(即改变缝隙的长度和宽度),就可以改变两个谐振频率的距离。

本文提出了引入缝隙实现双频工作的微带天线。使用HFSS对天线进行仿真,仿真结果良好。文中给出了缝隙尺寸参数对双频的影响规律,同时仿真结果表明天线可以很好的工作在S波段和C波段,且在双频率上都可保证一定的带宽和增益,尺寸也得到了一定的缩减。

二、天线结构的提出

图1给出了微带天线的结构,矩形贴片的尺寸为W×L,两缝隙的中心分别位于贴片的和 处,长度分别为 和 ,两个缝隙的宽度相等,均为 ,介质层的介电常数为,高度为h,尺寸为WG×LG。馈电方式为同轴馈电,馈电点位于宽边中心轴线上,距离贴片中心的距离为 。

本文利用了HFSS进行了仿真实验。天线的结构如图1所示。根据经验公式确定的天线基本尺寸参数为:

图1天线的结构图

三、仿真结果与分析

首先我们研究缝隙长度对谐振频率的影响。设定缝隙的宽度为

通过改变 和 得长度来研究缝隙长度对天线频率的影响规律,设定

天线分别谐振在和。表1给出了天线的谐振频率和缝隙长度的关系。

表1谐振频率与缝隙长度的关系

接着我们研究缝隙宽度对天线频率的影响规律。我们选定缝的长度为

,缝隙宽度 的变化范围为0.8mm到2mm。表2给出了不同宽度下对应的天线的谐振频率。

表2不同宽度对应的天线的谐振频率

通过以上仿真可得以下结论:

1.缝隙加载可以降低天线的频率,减小天线的尺寸,实现天线的小型化。在贴片上开双缝引入了第二个频率,使天线良好的工作在双频段,发现缝隙的长度与天线的谐振频率成反比,且缝隙的引入对的影响较为明显,可以看出缝隙加载是导致双频工作的主要原因。

2.缝隙的宽度对天线的谐振频率影响远远小于长度的影响。

根据以上的研究,本文提出一种同时工作在S波段和C波段的双频微带天线,天线的结构图如图1所示。天线的结构参数为:

。仿真后得到天线的性能参数(表3),S参数图(图2),工作在2.33GHz时的E面和H面图(图3),工作在4.60GHz时的E面和H面图(图4):

表3天线的性能参数

由以上仿真结果可以看出,天线谐振于2.33GHz和4.60GHz,缝隙的加载使天线的尺寸减小,同时引入了双频率。

半平面的H面方向图几乎是全方向的。

四、结论

图2天线的S参数图

图3 工作在2.33GHz时的E面和H面图图4 工作在4.6GHz时的E面和H面图

本文使用HFSS进行仿真优化设计。通过缝隙加载技术实现双频,研究了缝隙的长度和宽度对天线频率的影响规律,发现缝隙的长度对天线频率影响较大,缝隙宽度对天线频率影响极小。并利用在贴片表面开对称缝隙的方法,设计出工作在S和C波段的双频微带天线,而且这种天线结构简单,易于制作。证明了槽加载方式是实现天线小型化和双频工作的有效方式。

参考文献:

[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]张需溥、钟顺时,蝶形微带天线的谐振频率与双频设计[J].微波学报,2003,19(2).

[7]冯彬、廖安谋、苏东林,一种双频微带天线方案的分析与设计[J].吉林大学学报(信息科学版),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]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,1991.

作者简介:

付靖娟(1985-),女,硕士研究生,主要从事光电子器件的研究。

导师简介:

叶志清,男,硕导,主要从事光纤通信方面的研究。