E型贴片微带天线性能分析
第30卷 第6期2009年12月大连交通大学学报
JOURNAL OF DAL I A N J I A OT ONG UN I V ERSI TY Vol . 30 No . 6
Dec . 2009
文章编号:167329590(2009) 0620095203
E 型贴片微带天线性能分析
车仁信, 广旗一兰, 常宏铭
(大连交通大学电气信息学院, 辽宁大连116028) 3
摘 要:在矩形微带贴片天线的基础上, 通过在贴片上开两条对称的缝隙而得到E E 型贴片缝隙的长度、宽度和相对位置对天线的输入阻抗、带宽、. , 可以实现宽频带阻抗匹配, 减少外围电路设计的复杂性. 关键词:E 型贴片; 微带天线; 性能中图分类号:T N823. 24
文献标识码:A
0 引言
、重量轻、剖面薄的天线形式, 、雷达、遥感、电子对抗等领域都得到了广泛的应用.
微带天线作为发射或接收电磁波的设备, 要想拓宽天线的频带, 必须采取阻抗匹配措施, 阻抗匹配的好坏直接影响天线的增益, 甚至决定着天线的成败. 目前微带天线的阻抗匹配的方法
[2][3]
主要有外围设计阻抗变换器、裂缝耦合、增
[4]
加电阻和电抗性器件等.
本文主要探讨通过在矩形贴片上开缝, 得到一种E 型贴片. 借助于时域有限差分法, 研究该模型天线的输入阻抗、带宽、谐振频率等参数. 通过适当的改变E 型微带贴片缝隙的长度、宽度和相对位置, 以实现宽频带阻抗匹配, 减少外围电路设计的复杂性.
[1]
1 天线模型的选取
以满足I EEE802. 11b 协议的网桥天线为研究平台, 以时域有限差分法为工具, 设计了一个谐振频率在2. 4GHz 常规矩形二元微带贴片天线阵, 其结构及参数如图1所示. 介质基板的相对介电常数εr =2. 65, 厚度为1mm , 空气层的高度为4mm. 天线尺寸为:L 1=50mm , W 1=60mm , L 3=12. 5mm , W 3=3mm , W 7=4. 9mm , L 4=20mm ,
W 4=3mm , L 5=56mm , W 5=1mm , L 6=9mm , W 6=6mm. 为了使天线达到良好的匹配, 经过调
整阻抗变换段得L 2=4mm , W 2=21mm. 通过仿
真得到天线的带宽为157MHz (驻波比小于2) , 增益为14. 7d B , 输入阻抗Z in =32. 2+j 10. 1Ω. 经过数值计算, 得到天线反射系数、天线E 面和H 面方向图等如图2, 图3所示.
图1 天线结构俯视图和侧视图
图2 矩形天线反射系数曲线S 11图3 矩形天线E 面和H 面方向图
3
收稿日期:2009201206
作者简介:车仁信(1956-) , 女, 教授, 硕士, 主要从事微带天线的数值计算及工程应用的研究E 2ma il:cherx@djtu . edu . cn .
96大连交通大学学报第30卷
2 性能改进
2. 1 改进方案
W
表2 缝隙宽度W 对天线性能的影响
2. 4G 输入2. 4G 输入-10dB 阻抗最大衰减
谐振频率
GHz 2. 412. 402. 40
由图2, 3可见该天线完全满足I EEE802. 11b
[5]
的协议对网桥天线的参数要求, 但为了改进其性能, 提高传输速率, 加大传输距离, 在该天线二元矩形微带贴片上开两条对称的缝隙, 从而得到E 型贴片如图4所示. 缝隙的长度和宽度分别为
L 、W , 相对位置为
X.
mm 阻抗实部1285
40. 037. 834. 4
阻抗虚部带宽/MHz
3. 77. 28. 2
145145145
dB -31. 2-33. 1-32
表3 缝隙的相对位置X 对天线性能的影响
X
2. 4G 输入2. 4G 输入-10dB 谐振频率
GHz 2. 392. 392. 392. 39
mm 16
35. 441. 2
阻抗虚部6. 17. 37. 6
127131132
dB -25. 6-27. 5-26. 0-28. 3
图4 E 2. 2 性能研究
2. 3 结果分析
(1) 从表1的数据中, 不难看出:当E 型贴片
为研究这种, 做了多个尺寸的模型进行计算仿真, 本文选择的基本模型为L =18mm , W =15mm , X =8mm. 在数值计算空间建立天线模型, 取网格数为104×58×35, 非均匀网格, 天线完全处于计算空间之中, 计算空间的吸收边界采用理想匹配层吸收边界(P ML ) , 分为6层, 为了保证介质基片的截断处和微带线的截断处无反射, 计算区域介质基片和微带线必须深入到P ML 中. 最小网格划分长度为0. 13mm , 小于计算的最高频率波长的十分之一, 网格大小变化平滑, 而且计算远场的位置离边界三个网格. 介质层为4个空间步长, 可保证计算精度. 采用Gauss 脉冲作为激励源, 这是因为Gaussian 脉冲信号的频谱也是Gaussian 函数, 可提供较宽的频带. 运行仿真程序, 得参数变化对天线性能的影响列于表1～3.
表1 缝隙长度L 对天线性能的影响
L
长度从18mm 增加到26mm 时, 谐振频率逐渐减
小. 当L =20mm 时, 最大衰减、阻抗带宽、输入阻抗的实部与虚部均达到最大值.
(2) 从表2的数据中可以看出:E 型贴片的宽度对天线的输入阻抗有显著影响, 随着E 型贴片的宽度的增加, 输入阻抗的实部逐渐减小, 虚部逐渐增大, 对天线的阻抗带宽、最大衰减、谐振频率没有显著影响.
(3) 从表3的数据中可以看出:E 型贴片缝隙的相对位置对天线的基本参数都没有显著影响, 当天线缝隙的相对位置逐渐增大时, 天线的最大衰减、阻抗带宽、谐振频率基本没有变化, 输入阻抗的实部与虚部逐渐增大. 2. 4 参数优化由以上分析, 综合考虑工程实际应用, 选择L =20mm, W =5mm , X =16mm , 作为最终尺寸, 经数值计算, 得S 11曲线、天线E 面和H 面方向图、3D 辐射图如图5～7所示.
由E 型天线的仿真结果可以看出, E 型天线的谐振频率在2. 4GHz, 带宽为170MHz (驻波比小于2) , 回波损耗为-76d B , Z in =50Ω, 增益达到18. 2d B , 阻抗特性得到明显改善, 由图7可见, 远场辐射具有规范的方向性, 没有副瓣影响.
2. 4G 输入2. 4G 输入-10dB 阻抗最大衰减谐振频率
GHz 2. 432. 412. 42. 392. 38
mm 阻抗实部1820222426
32. 341. 436. 731. 626. 2
阻抗虚部带宽/MHz
5. 810. 37. 17. 28. 8
[**************]
dB -21. 4-32-30-22. 2-23. 3
第6期车仁信, 等:E 型贴片微带天线性能分析 97
图5 E 型天线的S 11曲线
图6 E 形天线E 面和H 面方向图图7 E 3D 图
3 结语
本文通过对E 型贴片微带天线性能的研究, 验证了E 型贴片微带天线的优越性, 改善阻抗特性, 增加天线的带宽, , 根据实际应用的需要, 节谐振频率, . 应用中, , 以满足具体需要. 参考文献:
[1]郝媛, 姜永华. 四单元微带贴片天线阵的设计与实现
[J ].空军雷达学院学报, 2007, 29(1) :48251.
[2]金林, 何国瑜. 平板裂缝天线阻抗匹配设计的研究
[J ].微波学报, 2000, 16(4) :3732377.
[3]宋旭亮, . [J ].现
, ) .
[]. [M].西安:西安电子科
, 1990.
], 刘克诚, 张贤峄. 微带天线理论与工程[M].北
京:国防工业出版社, 1988.
[6]车仁信, 程鑫, 张振国. 口径耦合微带天线阵的互耦研
究[J ].吉林大学学报(信息科学版) , 2005, 23(4) :
3372342.
[7]VEYSE L DE M I R, CHUN 2W E N P AUL HUANG, ATEF
E LSHERBE N I . NOVE L DUAL 2BAND WLAN ANTE N 2NAS W I TH
I N TEGRATE D BAND 2SE LECT F I L TER
F OR 802. 11a /b/gWLAN RAD I O S I N P ORT ABLE DE V I CES[J ].M icr owave and Op tical Technol ogy Let 2ters, 2007, 49(8) :186821872.
Ana lysis of Perfor mance of E 2Shaped Pa tch M i crostr i p An tenna
CHE Ren 2xin, G UANG Q i 2yi 2lan, CHANG Hong 2m ing
(School of Electrical &I nfor mati on Engineering, Dalian J iaot ong University, Dalian 116028, China )
Abstract:E 2Shaped patch is for med by opening t w o sy mmetrical cracks on the patch of rectangular m icr ostri p antenna in this paper, it discusses how the length 、width and relative positi on of the E 2Shaped patch cracks af 2fect the input i m pedance 、band width 、synt onic frequency of the antenna . It can make the i m pedance matching in br oadband by changing the para meter of the cracks p r operly and can make the design of the external circuit less comp licated .
Key words:E 2Shaped patch; m icr ostri p antenna; perf or mance