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1、. .超宽带平面单极子天线的分析和设计永志 庭 王伟光 秋林 王一笑 旭（中国航天科工集团8511研究所， 210007）摘 要：本文研究了一种应用于超宽频带的平面单极子天线。用传输线理论的等效电路方法分析了展宽平面单极天线带宽的措施，即添加切角和短路枝节。设计出了一种实用的超宽频带平面单极子天线，并对该天线进行了数值仿真。计算的电压驻波比和辐射方向图与实测结果吻合良好。关键词：平面单极子天线，传输线理论，超宽带Analysis and Designof the Ultra Wide Band Planar Monopole AntennaSun Yongzhi Li Ting Wang We
2、iguang Chen Qiulin Wang Yixiao Zhao Xu(No.8511 Research Institute of China Aerospace Science Industry Corp of China, Nanjing210007)Abstract: In this paper, coordinate transformation method was used to analyze two-dimensional cylindricalelectromagnetic invisibility cloaking.And the electromagnetic di
3、spersion equation of electromagnetic invisibility cloaking was given.The calculation results show that two-dimensional cylindricalelectromagnetic invisibility cloaking.has good scattering Characteristics for the electromagnetic wave.Keywords: Planar monopole antennas; Transmission line theory;Ultra
4、Wide Band / 1 引言超宽带（Ultra Wide Band，缩写为UWB）是一种利用纳秒至微微秒级的非正弦窄脉冲传输数据的无载波通信技术，与传统通讯系统相比，所占用的频带宽度大大变宽。FCC（美国联邦通信委员会）对UWB系统给出明确规，规定3.110.6GHz为UWB系统占用频带，带信号辐射功率密度低于-41.3dBm/MHz，并且要求带反射系数S11小于-10dB1。UWB系统不仅要求天线具有全向辐射特性，还要求天线在整个频带有良好的阻抗匹配特性和较高的辐射效率，并且还要考虑移动通讯设备对天线尺寸的要求。平面单极子天线与其变形，由于结构简单、制造成本低和频带宽等特性，已经成为近来
5、UWB天线设计的研究热点。本文主要讨论以平面单极子天线为基础的UWB天线的分析与设计。定性分析了平面单极子天线的工作原理，讨论展宽天线阻抗带宽的措施。在此基础上，设计出了一种实用的平面单极子天线，测量的驻波比和方向图与仿真结果非常吻合。2平面单极子天线的基本原理众所周知，直立细线单极子天线的阻抗带宽很窄。现在有很多文献都在探索和研究展宽天线阻抗带宽的方法和技术，如在矩形平面单极子上添加切角和短路支节等2，如图1所示。定性分析与展宽天线阻抗带宽有关的参数与其作用，平面单极子天线的电流主要集中在天线的底部和左右边缘两侧，并且水平方向上的电流密度远大于垂直方向上的电流密度3。因此，我们不妨切除天线上
6、几乎没有电流分布的区域，用U形或半圆形等来等效整个平面单极子。 基金项目：国家高技术研究发展计划（2007AA7）；图1带切角和短路支节平面单极子天线的结构从传输线理论讲，切角可以等效为多段水平传输线，它们的特性阻抗随离开馈电的距离增加而增大。此时，天线就可看成是不同特性阻抗传输线的级联，根据传输线的宽带匹配思想，经过适当设计切角可以展宽平面单极天线的阻抗频带。在单极子的一侧（如右侧）添加短路支节，此时对应等效电路模型，该侧的负载阻抗为近似为0。因此，短路支节构成另一谐振回路，如果设计合理，即可产生新的谐振频点，从而展宽天线带宽。3 UWB平面单极子天线的仿真和测试结果与其分析依据等效电路原理
7、的设计思路，考虑到制作的可实现性，经过多次分析和仿真发现只添加切角不可能达到设计要求，最后，增加电路枝节后，我们得到满足设计要求的模型天线尺寸如下：地板尺寸为92mm76mm，平面单极子高度h=38mm，宽度w=54mm，馈电间隙hgap=1mm，馈电平面宽度wgap=3mm，短路枝节宽度ws=1mm，切角角度=90。计算和测量电压驻波如图2所示。图2 电压驻波比测量与仿真结果比较由图2可知在3.1-10.6GHz频带，UWB天线满足VSWR1.925即是满足S11-10dB。平面单极天线结构对称，H平面辐射方向图是全向的。方向图在UWB3.1-10.6GHz带宽围H平面是全向性的。E面方向图
8、随着频率的升高，发生了畸变，这是由于测量仪器动态围不够以与随着频率升高连接被测天线、参考天线与收发机的电缆衰减大大增加的缘故。仿真与测量方向图如图3所示。E面3.5GHz E面4.5GHE面5.5GHz E面6.5GHzH面3.5GHz H面4.5GHz H面5.5GHz H面6.5GHz图3 E面和H面方向图的仿真与测量结果比较4结论平面单极子天线是UWB天线的研究热点之一。本文研究了一种变形的矩形平面单极子天线，通过添加切角和短路枝节可以大大展宽其阻抗带宽，能够满足UWB天线的要求。根据传输线等效电路模型，可以定性解释为增加切角和短路枝节展宽这种单极子天线的带宽。设计的UWB平面单极子天线
9、满足UWB天线的设计指标，仿真和实际测试的驻波比与辐射方向图结果吻合良好。参 考 文 献1林立峰. 超宽带无线通信技术. 中国数据通信，2005。2邹卫霞，周正等. 超宽带无线通信技. 电子质量，2004。3郭安波，惠民. 平面单极天线的设计. 无线电工程，2005。4Daniel Valderas,Jon Legarda,and Iigo Gutirrez et, Design of UWB Folded-Plate Monopole Antennas Based on TLM, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2006.作者简介
10、：永志，男，博士，主要研究领域为微波毫米波技术研究、天线设计、异向介质研究等。双圆极化微带天线的设计薛欣 福顺 昕罡 程喆 宁舒曼(电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室， 710071) 摘 要：本文研究了小型化双圆极化微带天线的设计方法。本文重点讨论了实现双圆极化、宽波束宽度微带叠层天线小型化的实现方法，并利用Ansoft HFSS 软件进行仿真分析，在此基础上研制了样件，并对其电性能进行了测量，测量结果说明，此微带天线具有圆极化、宽波束宽度和小型化的特点。关键词：圆极化，宽波束宽度，小型化，微带天线Design of Dual-Circularly-Polarized microstr
11、ip Antenna Xue Xin ZhangFushunFeng Xingang ChenZhe Ning Shuman(National Laboratory of Antenna and Microwave Technology, XidianUniversity, XianShanxi, 710071,China)Abstract:In this paper, a compact dual circular polarization microstrip patch antenna is studied, The method to achieve stacked microstri
12、p patch antenna with wide beamwidth, dual circular polarization and compact size has been discussed, it is simulated and optimized by the Ansoft HFSS software,and a prototype has been fabricated and tested. The measured results shows that the microstrip antenna proposed in this paper has the charact
13、eristic of wide beameidth, circular polarization, and compact size.Keywords: small size; circular polarzation; wide beamwidth; microstrip patch antenna1 引言微带天线的优点是体积小、重量轻、低剖面，其主要缺点是带宽很窄。一般工程中要使微带圆极化天线兼顾双圆极化、宽波束宽度和小型化的特点具有一定难度，本文在此工程背景上进行研究，思路是使天线能同时工作在两个离散的频率点，产生不同旋向的圆极化特性 1。一般由于圆极化天线带宽很窄，加工时，尺寸稍有误差
14、，便使得圆极化特性变差。本文采用双馈点馈电，增加天线的对称结构，改善了圆极化特性，最终利用经验公式和仿真软件，设计了工作在两个不同频率点，不同旋向的圆极化天线，并采用高介电常数的介质板来减小天线尺寸，和展宽波束宽度2，3。2 微带天线的设计天线的设计要求为天线要求安装在边长为48mm，四周倒圆角的方形底座上，分别工作在L波段和S波段，其电压驻波比VSWR2，轴比Axial Ratio2dB。工作频率L波段时产生左旋圆极化波，工作频率S波段时产生右旋圆极化波。本文的采用多层重叠的微带天线来实现双频双圆极化特性，这样的优点是便于工程实现和加工。为了减小天线的尺寸和展宽辐射波束宽度，采用介电常数为9
15、.8的瓷介质，厚度为2mm，工作频率在S波段的在上层，工作频率在L波段的在下层。这样高频天线工作的时候下层的天线充当了地板；当低频天线工作时，高频天线因为尺寸小，也减小了对低频天线的影响。同时改变天线的形状，以改善波束宽度围的圆极化特性。如图1所示。圆极化方式采用双馈电点，两个馈电端口所辐射的和模，在贴片辐射方向形成两个正交分量，相差/2，选择适当的激励频率，可以使两个模式同时被激励，从而得到一个圆极化辐射场，选择适当的相差，使得上层辐射右旋圆极化场，下层辐射左旋圆极化场。(a)俯视图 (b)侧视图图1 天线结构2.1 贴片的设计设计贴片时,先根据正方形贴片天线的经典公式设计天线单元其初边长L。 （1） （2）根据式（1）式（2）计算出天线的初始尺寸，采用高介电常数介质，以减小天线尺寸和展宽波束宽度，增加天线的对称结构，以改善圆极化特性，再利用仿真软件，优化天线的尺寸4，5。2.2 馈电网络的设计馈电网络采用双馈点馈电，如图2所示，高频功分器和低频功分器分开工作，其功分器部分采用Wilkinson功分器，移相器采用普通微带传输线。利用微带传输线移相的特性，使功分器终端得到两个等幅，相位相差/2的电场。图2 功分器结构3
