一種工作在S/C波段的雙頻微帶天線的設計與仿真

付靖娟 葉志清

[摘要]設計一種同時工作在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現,并采用同軸線饋電。通過基于有限元法的高頻電磁場仿真軟件HFSS仿真,從天線的回波損耗和方向圖分析天線的性能。從仿真結果可以看出,該結構有很好的雙頻特性,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。同時發現改變縫隙的長度對天線的頻率影響較大,縫隙寬度的改變對天線的頻率影響極小。

[關鍵詞]微帶天線雙頻縫隙HFSS

中圖分類號:TN822文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1210015-02

一、引言

當今,微帶天線在很多領域得到了廣泛應用[1]。包含了衛星通訊系統、無線局域網絡,整合封包無線服務、直播衛星[2],全球衛星定位系統[3]、區域多點分配服務以及低功率的個人行動通訊設備[4]等,都朝向多任務、高速寬頻的方向發展。

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

蝶形天線[6]能夠實現天線的小型化,能工作在兩個諧振頻率上;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構[8],這種結構的優點是:通過改變槽的尺寸、位置、數目和方位,可以調節兩個或多個諧振頻率;另一種較復雜的開槽天線[9]能夠工作在0.9GHz和1.8GHz,同時VSWR≤2的帶寬達到了20%,但VSWR<1.5的帶寬不是很理想。

多貼片和集總加載都會使天線的結構變得復雜,而槽加載作為一種簡單的加載方式,可以在單層微帶天線上實現雙頻,易于制作和調試,且容易與微波電路集成。在貼片上引入縫隙相當于加載一個電抗[10],調節這個電抗(即改變縫隙的長度和寬度),就可以改變兩個諧振頻率的距離。

本文提出了引入縫隙實現雙頻工作的微帶天線。使用HFSS對天線進行仿真,仿真結果良好。文中給出了縫隙尺寸參數對雙頻的影響規律,同時仿真結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、天線結構的提出

圖1給出了微帶天線的結構,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,長度分別為 和 ,兩個縫隙的寬度相等,均為 ,介質層的介電常數為,高度為h,尺寸為WG×LG。饋電方式為同軸饋電,饋電點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進行了仿真實驗。天線的結構如圖1所示。根據經驗公式確定的天線基本尺寸參數為:

圖1天線的結構圖

三、仿真結果與分析

首先我們研究縫隙長度對諧振頻率的影響。設定縫隙的寬度為

通過改變 和 得長度來研究縫隙長度對天線頻率的影響規律,設定

天線分別諧振在和。表1給出了天線的諧振頻率和縫隙長度的關系。

表1諧振頻率與縫隙長度的關系

接著我們研究縫隙寬度對天線頻率的影響規律。我們選定縫的長度為

,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應的天線的諧振頻率。

表2不同寬度對應的天線的諧振頻率

通過以上仿真可得以下結論:

1.縫隙加載可以降低天線的頻率,減小天線的尺寸,實現天線的小型化。在貼片上開雙縫引入了第二個頻率,使天線良好的工作在雙頻段,發現縫隙的長度與天線的諧振頻率成反比,且縫隙的引入對的影響較為明顯,可以看出縫隙加載是導致雙頻工作的主要原因。

2.縫隙的寬度對天線的諧振頻率影響遠遠小于長度的影響。

根據以上的研究,本文提出一種同時工作在S波段和C波段的雙頻微帶天線,天線的結構圖如圖1所示。天線的結構參數為:

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

表3天線的性能參數

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

半平面的H面方向圖幾乎是全方向的。

四、結論

圖2天線的S參數圖

圖3 工作在2.33GHz時的E面和H面圖圖4 工作在4.6GHz時的E面和H面圖

本文使用HFSS進行仿真優化設計。通過縫隙加載技術實現雙頻,研究了縫隙的長度和寬度對天線頻率的影響規律,發現縫隙的長度對天線頻率影響較大,縫隙寬度對天線頻率影響極小。并利用在貼片表面開對稱縫隙的方法,設計出工作在S和C波段的雙頻微帶天線,而且這種天線結構簡單,易于制作。證明了槽加載方式是實現天線小型化和雙頻工作的有效方式。

參考文獻:

[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,蝶形微帶天線的諧振頻率與雙頻設計[J].微波學報,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計[J].吉林大學學報(信息科學版),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,微帶天線理論與應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,1991.

作者簡介:

付靖娟(1985-),女,碩士研究生,主要從事光電子器件的研究。

導師簡介:

葉志清,男,碩導,主要從事光纖通信方面的研究。