第23卷第2期 微 波 学 报.2 Vo.l23No2007年4月JOURNALOFMICROWAVES Apr.2007文章编号:1005-6122(2007)02-0044-03
V形微带缝隙天线
张俊文 钟顺时
*
(上海大学通信与信息工程学院,上海200072)
摘 要: 提出了一种新颖的V形微带缝隙天线,地板上开一个直角V形缝隙,在V形缝隙的顶角处附加一个小直角三角形补偿隙,通过改变三角形补偿隙面积的大小可以对天线阻抗匹配进行优化,由基片另一侧的箭形微带线终端对缝隙单元馈电。这种天线易于实现宽带特性,设计简单,便于加工。文中给出了天线阻抗和方向图的计算结果,并给出了反射损耗和增益的实验结果。实测结果表明,该天线的阻抗带宽达到了43%,覆盖了1146～1776MHz的频率范围,-10dB阻抗带宽内增益值在4.5～6.5dB之间,平均增益约为5.5dB。
关键词: 微带缝隙天线,宽频带,方向图,增益
V-ShapedMicrostripSlotAntenna
ZHANGJun-wen,ZHONGShun-shi
(SchoolofCommunicationandInformationEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)
Abstract: AnovelV-shapedslotantennawithasmallright-angletriangleofsupplementaryslotispresented.Theslotelementisfedbyanarrow-shapedterminalofamicrostriplineprintedontheothersideofsubstrate,anditsgoodimpedancematchingisachievedbyadjustingtheareaofthistriangularsupplementaryslo.tThedesignoftheantennaissimple,andtheantennaiseasytorealizebroadbandcharacteristicsandbefabricated.Thesimulatedresultsoftheimpedanceandradiationpatternsaredescribedandtheexperimentalresultsofitsreturnlossandgainarepresented.Themeasuredresultsshowthattheimpedancebandwidthofapproximately43%isobtained,coveringafrequencyrangeof1146MHz～1776MHz.Thegainwithin-10dBimpedancebandwidthrangesfrom4.5dBto6.5dB,withacorrespondingaveragegainofroughly5.5dB.
Keywords: Microstripslotantenna,Broadband,Radiationpattern,Gain
引 言
微带缝隙天线以其重量轻、剖面薄、平面结构且易与载体共形,馈电网络可与天线结构一起制成等优点引起天线工作者的广泛关注。早期的微带缝隙天线是在接地板上开一个缝宽比缝长小得多的矩形窄缝,由天线的另一面的微带线对其馈电,这种天线带宽比较窄,一般只有5%～7%
[1]
上的矩形宽缝馈电;文献[5]中采用Y形微带馈线对开在地板上的环形槽馈电。通过这些多种多样的改变地板上缝隙以及微带馈源形状的方法,极大地展宽了缝隙天线的带宽。但与此同时,一般的缝隙天线也存在增益不高的缺点,如文献[6～8]中给出的天线增益值在2～5.5dB之间,在相应的-10dB反射损耗带宽内平均增益不到4.5dB。
本文提出了一种新颖的宽带V形缝隙天线,天线采用一种箭形馈电终端对开在地板上的V形槽馈电,较容易地实现了宽带特性。实测结果表明该天线的-10dB反射带宽为43%,工作频率覆盖了1146～1776MHz的频率范围,此外增益也得到了提高,实验结果验证了该设计的有效性。
。近年来,通过
研究者的不懈努力,发展了很多宽带缝隙天线:文献[2]提出一种X形微带缝隙天线,缝隙单元由箭头形微带线终端馈电;文献[3]中把简单的微带线馈源变成了对称的叉形微带线馈源对缝隙馈电;文献[4]中馈源改为T形馈电结构,将其对开在地板
*收稿日期:2005-09-27;定稿日期:2007-02-05
基金项目:国家自然科学基金项目(60571053);上海市重点学科建设基金项目(T0102)
第23卷第2期张俊文等:V形微带缝隙天线
1 天线设计与性能
本文提出的V形缝隙天线是矩形窄缝微带天线的变形,在接地板尺寸相同的情况下,V形缝隙比矩形窄缝的实际耦合面积大大增加,从而增大了天线辐射的电磁耦合量,因此能够很大地展宽缝隙微带天线的阻抗带宽。
天线结构如图1所示,它由金属地板上开等腰直角V形辐射缝隙和位于介质基片背面的箭形终端馈电微带线组成,在V形槽的顶角处挖去一个小直角三角形进行补偿。图中L1表示V形槽的直角边长,W1表示V形槽辐射缝隙宽度,d1表示挖去的直角三角形补偿隙的高,L2,W2是平行于V形槽辐射缝隙的馈线尺寸,W3表示馈线输入部分的宽度,d2表示馈线箭头部分与V形槽之间的距离,d3表示馈线箭头部分末端与V形槽末端之间的距离
。
线-10dB阻抗带宽为495MHz,当d1=5mm时,天线阻抗带宽达到最大值657MHz,比d1=0mm时展宽了162MHz,当d1继续增大时阻抗匹配变差,频带上移
。
图2 天线反射系数随频率的变化
另外,我们还分别研究了馈线箭头部分与V形槽之间的距离d2,以及馈线箭头部分末端与V形槽末端之间的距离d3对天线阻抗特性的影响。研究发现,当d2=0.24W2,d3=0.6W2时天线阻抗匹配最佳。
图3(a)、(b)分别给出了该天线在1316MHz、1466MHz和1616MHz上的E面和H面辐射方向图及其交叉极化。表1给出了在这些频率E面和H面上的3dB波瓣宽度和交叉极化电平的具体值。从表中可知,E面最大交叉极化随着频率的增加逐渐增大,与此相反H面最大交叉极化随着频率的增加而减小。H面最大交叉极化值均在-30dB以下,体现了微带缝隙天线低交叉极化电平的特性。
表1 天线3dB波瓣宽度和最大交叉极化值频率
(MHz)
图1 天线结构示意图
[1**********]6
3dB波瓣宽度(°)E平面120.3102.392.3
H平面79.778.477.7
最大交叉极化值(dB)E平面-20.6-19.0-16.8
H平面-30.1-36.3-40.5
我们采用Ansoft公司的三维高频电磁场软件
HFSS对这种V形槽结构的天线进行了仿真研究。天
2 实验结果
根据以上仿真结果,我们加工了一副实验天线,天线尺寸为90mm×80mm,并使用Aglient8753矢量网络分析仪对其进行了测试。图4为天线实测反射系数。实验结果表明,天线的-10dB反射损耗带宽达43.1%,覆盖了1146～1776MHz的频率范围,与文献[2]中X形缝隙天线21%的带宽相比,该天线的相对阻抗带宽展宽了2倍之多,可见采用这种
线基片采用聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板F4B-1/2,
介电常数为2.55,厚度取为1.5mm。图2给出了不同数值的三角形补偿隙的高d1对天线反射损耗的影响。其中取W1=16mm,L1=56.6mm,W2=4.2mm,L2=39.5mm,d2=1mm,W3=4.2mm,d3=2.5mm。从图中可知,三角形补偿隙面积的大小对阻抗带宽的展宽有较大的影响,当d1=0mm时,天
微 波 学 报2007年4月
图5 天线测量增益
研究了这种天线的性能,并加工了一副天线进行实验验证。实测结果表明,该天线的阻抗带宽达到了43%,覆盖了1146～1776MHz的频率范围,-10dB阻抗带宽内增益值在4.5～6.5dB之间。天线具有剖面低、结构简单、便于加工等特点,可以应用到大带宽多频无线通信领域。
参 考 文 献
〔1〕 钟顺时.微带天线理论与应用.西安:西安电子科技
大学出版社,1991.125
〔2〕 汪 伟,钟顺时,梁仙灵.X形微带缝隙天线.上海大
学学报(自然科学版),2005,11(1):1～3
〔3〕 SzeJY,WongKL.Bandwidthenhancementofamicros-trip-line-fedprintedwide-slotantenna.MicrowaveandOpticalTechnologyLetters,2001,49(7),1020～1024
图3 天线辐射方向图及交叉极化
〔4〕 KimMK,KimK,SuhYK,ParkI.AT-shapedmicros-trip-line-fedwideslotantenna.Propagat,2000,3:1500～1503
〔5〕 LiQ,ShenZX,ShanXY.Anewmicrostrip-fedcavity-backedannularslotantenna.IEEETransAntennasProp-agat,2002,3:68～71
〔6〕 JanJY,SuJW,ChenWS,ChengWT.Printedmi-crostrip-line-fedslotantennaforBluetoothandWLANap-plications.IEEETransAntennasPropagat,2004,3:2763～2766
〔7〕 BehdadN,SarabandiK.Amultiresonantsingleelement
widebandslotantenna.
IEEEAntennasandwireless
PropagationLetters,2004,3:5～8
〔8〕 WuJW,LuJH.Compactdesignofdual-bandtriangular
slotantennaforwirelesscommunication.IEEETransAn-tennasPropagat,2004,4:3816～3819
IEEETransAntennas
直角V形槽的新设计,天线阻抗带宽得到了很大的改善。此外,天线-10dB反射损耗带宽及频率范围的仿真结果与实测结果有较好的吻合,而实测的-10dB反射损耗比仿真结果有所恶化可能是因为天线焊接SMA头进行实验测试时,通过改变电阻和电容之间的关系使输入阻抗值产生了变化。图5为天线测量增益,在-10dB阻抗带内增益在4.5～6.5dB之间,平均增益大约为5.5dB,比文献[6～8]中天线的平均增益至少提高了1dB
。
张俊文 上海大学电磁场与微波技术专业硕士。主要研
究方向为微带天线,微波电路。E-mail:[email protected]
图4 反射损耗实测结果
钟顺时 上海大学教授,博士生导师,中国电子学会会士,
IEEE高级会员,研究方向为现代天线理论与技术等。
3 结论
本文提出一种新颖的V形微带缝隙天线结构
,
第23卷第2期 微 波 学 报.2 Vo.l23No2007年4月JOURNALOFMICROWAVES Apr.2007文章编号:1005-6122(2007)02-0044-03
V形微带缝隙天线
张俊文 钟顺时
*
(上海大学通信与信息工程学院,上海200072)
摘 要: 提出了一种新颖的V形微带缝隙天线,地板上开一个直角V形缝隙,在V形缝隙的顶角处附加一个小直角三角形补偿隙,通过改变三角形补偿隙面积的大小可以对天线阻抗匹配进行优化,由基片另一侧的箭形微带线终端对缝隙单元馈电。这种天线易于实现宽带特性,设计简单,便于加工。文中给出了天线阻抗和方向图的计算结果,并给出了反射损耗和增益的实验结果。实测结果表明,该天线的阻抗带宽达到了43%,覆盖了1146～1776MHz的频率范围,-10dB阻抗带宽内增益值在4.5～6.5dB之间,平均增益约为5.5dB。
关键词: 微带缝隙天线,宽频带,方向图,增益
V-ShapedMicrostripSlotAntenna
ZHANGJun-wen,ZHONGShun-shi
(SchoolofCommunicationandInformationEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)
Abstract: AnovelV-shapedslotantennawithasmallright-angletriangleofsupplementaryslotispresented.Theslotelementisfedbyanarrow-shapedterminalofamicrostriplineprintedontheothersideofsubstrate,anditsgoodimpedancematchingisachievedbyadjustingtheareaofthistriangularsupplementaryslo.tThedesignoftheantennaissimple,andtheantennaiseasytorealizebroadbandcharacteristicsandbefabricated.Thesimulatedresultsoftheimpedanceandradiationpatternsaredescribedandtheexperimentalresultsofitsreturnlossandgainarepresented.Themeasuredresultsshowthattheimpedancebandwidthofapproximately43%isobtained,coveringafrequencyrangeof1146MHz～1776MHz.Thegainwithin-10dBimpedancebandwidthrangesfrom4.5dBto6.5dB,withacorrespondingaveragegainofroughly5.5dB.
Keywords: Microstripslotantenna,Broadband,Radiationpattern,Gain
引 言
微带缝隙天线以其重量轻、剖面薄、平面结构且易与载体共形,馈电网络可与天线结构一起制成等优点引起天线工作者的广泛关注。早期的微带缝隙天线是在接地板上开一个缝宽比缝长小得多的矩形窄缝,由天线的另一面的微带线对其馈电,这种天线带宽比较窄,一般只有5%～7%
[1]
上的矩形宽缝馈电;文献[5]中采用Y形微带馈线对开在地板上的环形槽馈电。通过这些多种多样的改变地板上缝隙以及微带馈源形状的方法,极大地展宽了缝隙天线的带宽。但与此同时,一般的缝隙天线也存在增益不高的缺点,如文献[6～8]中给出的天线增益值在2～5.5dB之间,在相应的-10dB反射损耗带宽内平均增益不到4.5dB。
本文提出了一种新颖的宽带V形缝隙天线,天线采用一种箭形馈电终端对开在地板上的V形槽馈电,较容易地实现了宽带特性。实测结果表明该天线的-10dB反射带宽为43%,工作频率覆盖了1146～1776MHz的频率范围,此外增益也得到了提高,实验结果验证了该设计的有效性。
。近年来,通过
研究者的不懈努力,发展了很多宽带缝隙天线:文献[2]提出一种X形微带缝隙天线,缝隙单元由箭头形微带线终端馈电;文献[3]中把简单的微带线馈源变成了对称的叉形微带线馈源对缝隙馈电;文献[4]中馈源改为T形馈电结构,将其对开在地板
*收稿日期:2005-09-27;定稿日期:2007-02-05
基金项目:国家自然科学基金项目(60571053);上海市重点学科建设基金项目(T0102)
第23卷第2期张俊文等:V形微带缝隙天线
1 天线设计与性能
本文提出的V形缝隙天线是矩形窄缝微带天线的变形,在接地板尺寸相同的情况下,V形缝隙比矩形窄缝的实际耦合面积大大增加,从而增大了天线辐射的电磁耦合量,因此能够很大地展宽缝隙微带天线的阻抗带宽。
天线结构如图1所示,它由金属地板上开等腰直角V形辐射缝隙和位于介质基片背面的箭形终端馈电微带线组成,在V形槽的顶角处挖去一个小直角三角形进行补偿。图中L1表示V形槽的直角边长,W1表示V形槽辐射缝隙宽度,d1表示挖去的直角三角形补偿隙的高,L2,W2是平行于V形槽辐射缝隙的馈线尺寸,W3表示馈线输入部分的宽度,d2表示馈线箭头部分与V形槽之间的距离,d3表示馈线箭头部分末端与V形槽末端之间的距离
。
线-10dB阻抗带宽为495MHz,当d1=5mm时,天线阻抗带宽达到最大值657MHz,比d1=0mm时展宽了162MHz,当d1继续增大时阻抗匹配变差,频带上移
。
图2 天线反射系数随频率的变化
另外,我们还分别研究了馈线箭头部分与V形槽之间的距离d2,以及馈线箭头部分末端与V形槽末端之间的距离d3对天线阻抗特性的影响。研究发现,当d2=0.24W2,d3=0.6W2时天线阻抗匹配最佳。
图3(a)、(b)分别给出了该天线在1316MHz、1466MHz和1616MHz上的E面和H面辐射方向图及其交叉极化。表1给出了在这些频率E面和H面上的3dB波瓣宽度和交叉极化电平的具体值。从表中可知,E面最大交叉极化随着频率的增加逐渐增大,与此相反H面最大交叉极化随着频率的增加而减小。H面最大交叉极化值均在-30dB以下,体现了微带缝隙天线低交叉极化电平的特性。
表1 天线3dB波瓣宽度和最大交叉极化值频率
(MHz)
图1 天线结构示意图
[1**********]6
3dB波瓣宽度(°)E平面120.3102.392.3
H平面79.778.477.7
最大交叉极化值(dB)E平面-20.6-19.0-16.8
H平面-30.1-36.3-40.5
我们采用Ansoft公司的三维高频电磁场软件
HFSS对这种V形槽结构的天线进行了仿真研究。天
2 实验结果
根据以上仿真结果,我们加工了一副实验天线,天线尺寸为90mm×80mm,并使用Aglient8753矢量网络分析仪对其进行了测试。图4为天线实测反射系数。实验结果表明,天线的-10dB反射损耗带宽达43.1%,覆盖了1146～1776MHz的频率范围,与文献[2]中X形缝隙天线21%的带宽相比,该天线的相对阻抗带宽展宽了2倍之多,可见采用这种
线基片采用聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板F4B-1/2,
介电常数为2.55,厚度取为1.5mm。图2给出了不同数值的三角形补偿隙的高d1对天线反射损耗的影响。其中取W1=16mm,L1=56.6mm,W2=4.2mm,L2=39.5mm,d2=1mm,W3=4.2mm,d3=2.5mm。从图中可知,三角形补偿隙面积的大小对阻抗带宽的展宽有较大的影响,当d1=0mm时,天
微 波 学 报2007年4月
图5 天线测量增益
研究了这种天线的性能,并加工了一副天线进行实验验证。实测结果表明,该天线的阻抗带宽达到了43%,覆盖了1146～1776MHz的频率范围,-10dB阻抗带宽内增益值在4.5～6.5dB之间。天线具有剖面低、结构简单、便于加工等特点,可以应用到大带宽多频无线通信领域。
参 考 文 献
〔1〕 钟顺时.微带天线理论与应用.西安:西安电子科技
大学出版社,1991.125
〔2〕 汪 伟,钟顺时,梁仙灵.X形微带缝隙天线.上海大
学学报(自然科学版),2005,11(1):1～3
〔3〕 SzeJY,WongKL.Bandwidthenhancementofamicros-trip-line-fedprintedwide-slotantenna.MicrowaveandOpticalTechnologyLetters,2001,49(7),1020～1024
图3 天线辐射方向图及交叉极化
〔4〕 KimMK,KimK,SuhYK,ParkI.AT-shapedmicros-trip-line-fedwideslotantenna.Propagat,2000,3:1500～1503
〔5〕 LiQ,ShenZX,ShanXY.Anewmicrostrip-fedcavity-backedannularslotantenna.IEEETransAntennasProp-agat,2002,3:68～71
〔6〕 JanJY,SuJW,ChenWS,ChengWT.Printedmi-crostrip-line-fedslotantennaforBluetoothandWLANap-plications.IEEETransAntennasPropagat,2004,3:2763～2766
〔7〕 BehdadN,SarabandiK.Amultiresonantsingleelement
widebandslotantenna.
IEEEAntennasandwireless
PropagationLetters,2004,3:5～8
〔8〕 WuJW,LuJH.Compactdesignofdual-bandtriangular
slotantennaforwirelesscommunication.IEEETransAn-tennasPropagat,2004,4:3816～3819
IEEETransAntennas
直角V形槽的新设计,天线阻抗带宽得到了很大的改善。此外,天线-10dB反射损耗带宽及频率范围的仿真结果与实测结果有较好的吻合,而实测的-10dB反射损耗比仿真结果有所恶化可能是因为天线焊接SMA头进行实验测试时,通过改变电阻和电容之间的关系使输入阻抗值产生了变化。图5为天线测量增益,在-10dB阻抗带内增益在4.5～6.5dB之间,平均增益大约为5.5dB,比文献[6～8]中天线的平均增益至少提高了1dB
。
张俊文 上海大学电磁场与微波技术专业硕士。主要研
究方向为微带天线,微波电路。E-mail:[email protected]
图4 反射损耗实测结果
钟顺时 上海大学教授,博士生导师,中国电子学会会士,
IEEE高级会员,研究方向为现代天线理论与技术等。
3 结论
本文提出一种新颖的V形微带缝隙天线结构
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