一种紧凑高隔离度的双极化微带天线单元设计_高隔离度微带天线

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一种紧凑高隔离度的双极化微带天线单元设计

张

杰

尹应增

任学施

苏振华

席

磊

（西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，西安 710071）

摘要：本文运用临近耦合与口径耦合的馈电方式，设计了一种工作于Ku波段、高端口隔离度、低交叉极化和低后向辐射的双极化微带贴片单元。采用四层介质板结构，剖面为1.27mm，两个端口的馈线分别位于接地板两侧，减小了馈线的寄生辐射对方向图的影响。仿真结果表明，在500MHz（VSWR

关键词：双极化，口径耦合馈电，隔离度，交叉极化，后向辐射

Design of a Compact Dual-polarization Microstrip Antenna Element with

High Isolation Zhang Jie Yin Yingzeng Ren Xueshi Su Zhenhua Xi Lei(Institute of Antennas and Electromagnetic Scattering，Xidian University, Xi'an 710071，China)Abstract: In this paper, a Ku-band compact dual-polarization microstrip antenna element with high isolation, low cro-polarization and low back-radiation is presented.This antenna is fed by the method of cro-slot coupling to realize dual-polarization.By using four medium flies, the section plane of antenna is 1.27mm.To reduce the affect of feed lines on radiation, two feed lines are placed on the side of earth-plate.In the bandwidth(VSWR

将通信容量提高一倍。在地面通信中可实现极化分1 引言

集和抗多径衰落；在合成孔径雷达中，多极化可以获得更加详尽的各种散射体的信息，易于对目标的随着现代无线通信技术的快速发展，全球定位

探测和识别，随着分辨率要求的提高，极化隔离度系统(GPS)、卫星通信、合成孔径雷达(SAR)、无线

要求越来越高。

个人通信(WLAN)等领域都需要重量轻、剖面低、易

通常用微带线直接给方形贴片馈电的双极化微共形的双极化天线。而微带天线天线具有馈电方式

带天线，端口隔离度和极化隔离度一般只有和极化形式多样化的优点，并且易与馈电网络和有

-20dB~-25dB左右。本文分析并设计了一种十字型口源电路集成一体化，已成为印刷天线类的主角。

径耦合馈电的双极化贴片天线，馈线采用分支线型天线的极化指天线在最大辐射方向上电场矢量

结构，并分别位于接地板的两侧，具有较高的端口的取向，频谱资源日益紧张的现代卫星通信领域迫

隔离度、低交叉极化和低后向辐射特性。作为双极切需要天线具有双极化功能。因为双极化天线能发

化微带阵列天线的单元，非常适合双极化工作模式射或接收两个正交的电磁波，在同一带宽内可以发的合成孔径雷达天线应用和抗多径干扰高要求的移射两种信号，这有利于实现频率复用和收发一体，动通信系统的需要。天线单元的结构设计

本单元采用正方形微带贴片，因为正方形微带贴片具有良好的极化辐射对称性且易于加工制造。口径耦合的馈电方式是Pozar于1985年提出的，与共面微带线和同轴探针馈电相比，口径耦合馈电具有如下优点：辐射贴片与馈电网络可以置于地板两侧，减小了馈线对辐射贴片的影响；采用耦合馈电能增大天线的带宽，较好的实现阻抗匹配；辐射贴片和馈电网络可以选择不同的介质板，并能单独进行优化设计，增大了设计的灵活性和自由度。

该天线单元的结构如图1所示，由四层微带介质板构成。辐射贴片蚀刻在第一层介质板上面，边长为a；水平极化端口（port1）的微带馈线蚀刻在第二层介质板上面，主馈线为50微带线，两分支馈线长为l1，宽为w1；第三层介质板上为位于贴片正下方的开有十字槽的金属地板，槽长为m，槽宽为n；垂直极化端口(port2)的微带馈线蚀刻在第四层介质板上面，两分支线长为l2，宽为w2。介质板材料选用相对介电常数为2.2的RogerRT/Duroid5880，其中第一，二层介质板的厚度为0.381mm，第三，四层介质板的厚度为0.254mm，天线的总厚度为1.27mm，实现了低剖面特性。

天线通过两个端口在不同层上的正交馈电实现了水平/垂直双极化辐射，水平极化和垂直极化端口的激励分别通过临近耦合和缝隙耦合实现。耦合缝隙位于贴片单元的正下方，微带馈线采用分支线结构，使得天线在结构上具有很高的对称性，减小了因不对称结构造成的电磁场畸变对天线性能的恶化；两端口馈线分别位于接地板两侧，减小了其寄生辐射的相互干扰和对天线方向图的影响，所以这种结构的微带天线具有较高的端口隔离度和低交叉极化特性。天线单元的仿真及结果分析

基于上述的分析和设计方法，利用仿真软件HFSS对单元结构进行电磁全波仿真优化。得到各几何参数为：a5.24mm，l15.3mm，w10.4mm，m3.2mm，n0.2mm，l25mm，w20.7mm，仿真模型如图2所示。

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图1 单元的仿真建模结构

图2 单元结构俯视图

天线单元工作的中心频率为17GHz，通过仿真优化，可以得到两个端口的电压驻波比、端口隔离度、方向图及交叉极化特性曲线如图3~图6所示：

图3 两个端口的驻波曲线

图4 端口隔离度曲线

图5 水平极化端口E面及交叉极化方向图

图6 水平极化端口H面及交叉极化方向图

由图3所示的天线驻波比曲线可以看出，单元两个端口的驻波在16.75GHz~17.25GHz的500MHz带宽内小于1.5。由图4可以看出，17GHz时单元的端口隔离度为-54.22dB，在带宽内端口隔离度的变化范围是-55.25dB~-53.31dB。由图5和图6可以看出，天线单元在17GHz的增益为6.84dB，E面和H面的极化隔离度都达到-60dB，前后比为-14dB。垂直极化端口的辐射方向图与水平极化端口的方向图具有相似的特性，不再一一列出。从仿真结果可以看出，天线单元实现了较高的端口隔离度和极化隔离度特性，保证两种极化工作模式不相互干扰，实现了良好的双极化性能。单元结构的改进与分析

为了减小后向辐射，提高前后比，在第四层介质板下面可以放置一个与介质板大小相等的金属地板，垂直极化端口成为带状线馈电。通过仿真优化，在端口隔离度和极化隔离度基本不变的情况下，单元的前后比可以提高到-22dB，但垂直极化端口的电压驻波比带宽减小到400MHz。

微带天线是一种谐振式天线，等效为一个高Q

值的并联谐振电路，对于薄微带天线，其驻波不大于的相对带宽为[5]：

BW1Q100%

此式说明，降低谐振电路的Q值可以展宽微带天线的工作频带。在金属接地板的适当位置“开窗”可改变微带天线的辐射条件和阻抗特性，降低谐振电路的Q值而展宽频带。为了提高前后比的同时不减小带宽，可以在第四层介质板下面放置一个开孔的金属地板，如图7所示。通过仿真优化，圆孔半径为1.5mm时两个端口的电压驻波比、端口隔离度、方向图及交叉极化特性曲线如图8~图10所示：

图7 加开孔地板的单元结构

图8 地板开孔后两个端口的驻波曲线

图9 加开孔地板后的端口隔离度曲线

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四层介质板下面加金属地板可以将辐射方向图的前后比提高8dB，但驻波比带宽下降到400MHz。在保证驻波带宽、端口隔离度和极化隔离度基本不变的情况下，加开孔地板可以将前后比提高3.28dB，从而有效地降低了后向辐射并提高了单元增益。结论

图10 加开孔地板后水平极化端口E面及交叉极化方向图

由图8所示的天线驻波比曲线可以看出，加开孔地板后单元两个端口的驻波在16.75GHz~17.25GHz的500MHz带宽内小于1.5。由图9可以看出，17GHz时单元的端口隔离度为-53.75dB，在带宽内端口隔离度的变化范围是-54.96dB~-53.75dB。由图10可以看出，天线单元在17GHz的增益为7.16dB，极化隔离度达到-55.68dB。单元加开孔地板后的前后比为17.28dB，提高了3.28dB，有效地降低了后向辐射。

通过对改进单元结构后的仿真分析可知，在第本文基于仿真计算设计了一个工作在中心频率17GHz，带宽为500MHz的双极化微带天线单元。采用分支线型馈线和十字型口径耦合的馈电方式，实现了高端口隔离度、极化隔离度和低后向辐射特性。单元采用四层介质板结构，厚度为1.27mm。两个端口的馈线分别位于地板两侧，减小了馈线的寄生辐射对天线方向图的影响，并可以单独对馈电网络进行设计，为实现高隔离度的双极化微带天线阵打下基础。

参 考 文 献

[1] K.Ghorbani and R.B.Waterhouse, Dual Polarized Wide-Band Aperture Stacked Patch Antennas, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.52, NO.8, August 2004.[2] S.Gao and T.S.Yeo, A Broad-Band Dual-Polarized Microstrip Patch Antenna With Aperture Coupling, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.51, NO 4, April 2003.[3] Luis Inclan, Jose-Luis and Eva Rajo-Iglesias, High Isolation Proximity Coupled Multilayer Patch Antenna, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.56, NO 4, April 2008.[4] S.Gao and A.Sambell, Dual-polarized broad-band microstrip antenna fed by proximity coupling, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.53, pp.526-530, Jan 2005.[5] 钟顺时.微带天线理论与应用.西安电子科技大学出版社，1991.·4·

双面印刷C形超宽带天线

肖金祥

李国剑

（西北民族大学电气工程学院）

摘要：本文提出了一种新型双面印刷超宽带天线。该天线以相互对称的两个C形臂作为偶极子天线的谐振单元，采用微带线馈电，利用多级阻抗变换实现超宽带特性。通过数值仿真和实验测量，对天线的阻抗特性、方向图和传输特性进行了研究。结果显示该天线在3.1-10.6GHz内VSWR＜2，方向图在此频段内保持一致性并且接近全向，传输函数幅度及传输时延较为平坦，相位近似呈线性关系，有利于UWB信号的传输。关键词：偶极子；超宽带天线；印刷天线

Double-printed C-shape Ultra-wideband Antenna

Xiao Jinxaing Li Guojian

(School of Electrical Engineering Northwest University for Nationalities,Lanzhou,Gansu,730030)Abstract: A double-printed u-shape antenna for ultra-band application is proposed in this paper.With two C-shape dipole arms printed on the dielectric substrate and fed by a microstrip line, the antenna realized it’s ultra-wideband character by multistage impedance conversion.The impedance characteristic, radiation patterns and the transmiion characters are studied both by numerical simulation and experiment.The radiation patterns are approximately omni-directional with the VSWR

带天线。通过优化调整 1 引言

C形臂的大小使天线满足超宽带的要求[7-15]。通过数值仿真和实验测量，对天线的驻波系数、方随着超宽带（UWB）无线电技术的发展，UWB

向图和传输特性进行了分析。

天线一直是近几年来通信领域研究的热点之一。偶极子天线是一种最基本的天线形式，具有全向辐射 天线结构与设计原理 特性，由于其结构简单、造价低廉被广泛应用于各种无线通信系统中。但是由于偶极子是一种驻波天线，一般而言频带非常窄（约1%－5%），这使其应天线结构如图1所示。整个天下采用微带馈电用受到限制[1-6]。目前已经发展了很多展宽偶极子方式，辐射单元和地板印刷在介质板的两侧。（偶极频带的技术，形成了许多新型偶极子天线，比如锥子的两个单元分别印刷在介质板的两侧）。微带线馈天线、双偶极子天线虽然阻抗带宽得到明显改善，电部分首先是宽度为W1，长度为L1的微带线，然但是仍然不能满足UWB系统7.5GHz的带宽要求，后通过宽为W2长为L2和 宽为W3长为L3的平行并且结构复杂（大多为立体结构），体积较大，不适双线对偶极子的两个辐射单元进行馈电。微带线和合用于UWB系统。因此能做到同时具有超宽带特性平行双线构成宽带阻抗变换结构。天线的辐射单元和简单结构的偶极子天线并不多见。基于以上研究是两个C形臂构成的偶极子天线。该C形臂是在一背景，本文提出一种双面印刷的C形臂偶极子超宽个较大的辐射体上解掉一个小圆而得到的。

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设计成C形臂的构思来源：用HFSS仿真发现，5双面印刷偏馈平面偶极子的电流密度主要集中在偶极子辐射体边沿，且馈电间隙处最强，而中间部分电流密度比较小。所以尝试将中间部分去掉，仅保留三个边缘。偶极子臂类似U形。这样可降低天线的重量。该天线是一种结构简单，易于集成的超宽带天线。

图1 天线结构图 实验研究

通过基于有限元法的电磁仿真软件Ansoft HFSS对上述天线进行了数值模拟。优化后的天线尺寸为：W = 46 mm,L = 48 mm,W1 = 2.2 mm,L1 = 16 mm,W2 =2.6 mm, L2 = 9 mm,W3 = 1.5 mm,L3 =6m,R = 7.8 mm, r = 4 mm,d = 3.2 mm, g = 0.35 mm, p = 1 mm.。实际加工制作的天线选用相对介电常数为2.78，厚度为0.8mm的基板。用HP8722ES矢量网络分析仪对天线进行了测量。

图2 是优化后天线的仿真和实测驻波比。从图中看出两者吻合较好，且实测值比仿真值有更宽的频带范围。实测结果表明在3.1GHz-10.6GHz的范围内其驻波比VSWR

图3给出了g对天线的驻波比的影响，由图可知g=0.35mm为最佳匹配。

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measured4 simulatedRWS3V2124681012Frequency/GHz

图2 天线的仿真和实测驻波比

g=0.35mm g=0.60mmR g=0.75mmW g=0.20mmS3V***2Frequency/GHz

图3 g对驻波比的影响

图4所示为微波暗室内双面印刷偶极子的实测方向图。由图可知在3.5GHz，6GHz，9GHz天线的辐射特性具有较好的一致性且接近全向。

超宽带系统采用短时脉冲传播信号，因此天线的传输特性对系统的信号传输至关重要。对超宽带天线传输特性的研究有利于超宽带天线性能的全面评价以及传输脉冲信号的设计。把天线系统看作一个二端口空间滤波器，为了能够保证波形在时域不变形，要求其传输特性S21在工作频带内具有幅度平坦、相位线性以及群时延小等特点。由于S21与天线的空间特性有关，因此改变天线的放置方式和两天线间的距离都将对S21产生影响。实验中选定结构参数相同、性能一致的两个天线，分别按照图5所示的两种放置方式在室内环境下进行测量。

图4 天线的方向图

图5 两种传输特性测试方式

测得在两天线相距10cm时“面对面”和“边对边”放置时的传输特性以及时延如图6和图7所示。

图6 传输幅度与相位

图7 传输时延 结论与分析

提出了一种可用于超宽带(UWB)系统的双面印刷C形超宽带天线。该天线以相互对称的两个C形臂作为偶极子天线的谐振单元，采用微带线馈电，同时采用多级阻抗变换使天线获得超宽频带特性。实际加工制作的天线在3.1GHz-10.6GHz范围内有良好的阻抗特性。不同频点的方向图说明天线有较稳定的全向辐射特性。传输实验表明天线的传输函数幅度及传输时延较为平坦、相位近似呈线性关系，这有利于超宽带信号的传输。该天线易于与电路集成，可用于UWB无线通信系统。

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参 考 文 献

[1] Zhang, J.and F.Wang, “Study of a double printed UWB dipole antenna,” Microwave and Optical Technology Letters, Vol.50, No.12, Dec.2008.[2] Lu, Y.-M., X.-X.Yang, and G.-X.Zheng, “Analysis on a novel ultra-wide bandwidth antenna of doublepr-printed circular disc,” Microwave and Optical Technology Letters, Vol.49, No.2,Feb.2007.[3] Gao, G., X.Yang, J.Zhang, J.Xiao, and F.Wang, “Doubleprinted rectangular patch dipole antenna for UWB applications,” Microwave and Optical Technology Letters, Vol.50, No.9, Sep.2008.[4] Xiao, J.X., X.X.Yang, G.P.Gao, and J.S.Zhang, “Doubleprinted U-shape ultra-wideband dipole antenna,” Journal of Electromagnetic Waves and Applications, Vol.22, No.8–9, 1148–1154, 2008.[5] Zaker, R., Ch.Ghobadi, and J.Nourinia, “A modified microstripfed two-step tapered monopole antenna for UWB and Wlan applications,” Progre In Electromagnetics Research, PIER 77, 137–148, 2007.[6] Lin, C.C.and H.R.Chuang, “A 3–12 GHz UWB planar triangular monopole antenna with ridged ground-plane,” Progre In Electromagnetics Research, PIER 83, 307–321, 2008.[7] Sadat, S., M.Fardis, F.G.Gharakhili, and G.Dadashzadeh, “A compact microstrip square-ring slot antenna for UWB applications,” Progre In Electromagnetics Research, PIER 67, 173–179, 2007.[8] Sadat, S., M.Houshmand, and M.Roshandel, “Design of a microstrip square-ring slot antenna filled by an H-shape slot for UWB applications,” Progre In Electromagnetics Research, PIER 70, 191–198, 2007.[9] Wang, F.J., J.S.Zhang, X.X.Yang, and G.P.Gao, “Time domain characteristics of a double-printed UWB dipole antenna,” Progre In Electromagnetics Research Letters, Vol.3, 161–168, 2008.[10] Fallahi, R., A.A.Kalteh, and M.G.Roozbahani, “A novel UWB elliptical slot antenna with band-notched characteristics,”Progre In Electromagnetics Research, PIER 82, 127–136, 2008.[11] Wang, F.J.and J.S.Zhang, “Study of a band-notched double printed dipole antenna,” Microwave and Optical Tech.Lett., Vol.50, No.11, 2986–2989, 2008.[12] Zheng, G., A.A.Kishk, A.W.Glion, and A.B.Yakovlev, “A broadband printed bow-tie antenna with a simplifide balanced feed,” Microwave and Optical Technology Letters, Vol.47, No.6, Dec.2005.[13] Antonino-Daviu, E., M.Cabedo-Fabre’s, M.Ferrando-Bataller, and A.Valero-Nogueira, “Wideband double-fed planar monopole antennas,” Electronics Letters, Vol.39, No.23, 1635–1636, Nov.13, 2003.[14] Lee, S.S., S.S.Choi, J.K.Park, and K.R.Cho, “Experimental study of UWB antenna in time domain,” Microwave and Optical Technology Letters, Vol.47, No.6, 554–558, Dec.20, 2005.[15] Klemm, M.and G.Troester, “Textile UWB antennas for wirele body area networks,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.54, No.11, 3192–3197, Nov.2006.作者简介：

肖金祥，男，硕士，2009年6月毕业于兰州大学信息科学与工程学院无线电物理专业，现任职于西北民族大学电气工程学院，主要研究方向为无线通信与天线技术。

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