c波段宽带双线极化微带天线的设计

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1、2C波段宽带双线极化微带天线的设计钱青洪玲伟（杭州电子科技大学微波与天线实验室浙江杭州310018）摘要：设计一种工作在C波段（5.15-5.825GHz）的新型的双线极化高隔离度微带振子天线，主要应用于短距离的移动通信。天线单元采用双“H”缝隙地板、合理的振子排列方式及微带线馈电方式，通过HFSS软件的优化仿真，得到很好的结果，并组成2×2面阵，在整个频段内驻波比小于2，隔离度大于30dB，在中心频率5.54GHz时，E面最大辐射方向的增益为8.9dB；H面最大辐射方向的增益为11.2dB。该天线体积小，有利于小型化和集成化。关键词：H

2、FSS；C波段；双线极化；高隔离度中图分类号：TN82文献标识码：A文章编号：1671－7597（2012）0220070－020引言双极化微带天线由于具有频率复用、收发一体化、极化分集、极化捷变、强抗干扰和高灵敏度等优点而被广泛应用。本文提出了一种新型的微带振子天线的设计思想和方法，在获得较宽的工作频带的同时，提高了两端口的极化隔离度。在5.15Ghz-5.825Ghz的工作带宽内，天线的驻波比均符合工作要求，两极化端口隔离度大于30dB，测试结果与仿真结果较吻合。1双线极化天线设计天线单元设计：如图1所示为矩形片状对称振子天线模型，长

3、度为L，宽度为W，利用多阶阻抗变换增大带宽，长度分别为l1、l2、l3，相对应的宽度分别为W、w1、w2。该贴片处于介质板的上层，介质板的下层为60mm×50mm的矩形地面，介质板为FR-4，高度h=1.0mm，相对介电常数εr=4.4，天线单元结构如图2（a）所示。地板结构如图2（b）所示，两个相互垂直的“H”形槽，一个“H”形槽的中央臂和另一“H”行槽的馈线相平行，此“H”形槽并不从另一馈线端口耦合能量，这将有利于降低两馈线间的互相耦合，提高微带天线的隔离度。馈线采用50Ω微带线，从振子中心处使用微带线馈电，“H”形槽结构的尺寸大小如

4、下图所示，可调节“H”形槽的长度与宽度的值使天线的阻抗达到匹配。图4馈电网络结构2仿真优化后的尺寸与结果分析通过对振子单元大小、地板缝隙尺寸、振子间距以及微带线宽度等参数进行优化仿真，使天线单元辐射频带宽度，两端口极化隔离度以及交叉极化电平均达到设计要求，优化后的参数如表1所示。表1优化后的天线尺寸（单位：mm）131112W2W1图1对称振子天线模型VP振子LS2.1仿真结果WSHP振子shSBsWsh图2（a）天线单元结构图图2（b）地板结构图2×2天线阵列设计：辐射单元的间距设计应考虑波束宽度的要求，辐射元与馈线间应有适当的间距和阵

5、元的间距小于一个波长以避免栅瓣的产生。综合以上几点确定阵元间距为3λ/4=12mm。所以得到天线尺寸为：140mm×120mm，高度为1.0mm。2×2面阵结构模型如图3所示，馈电网络如图4所示。图5（a）天线单元回波损耗图5（b）两端口隔离度S21图5（a）为天线单元回波损耗仿真图，S11<-10dB阻抗带宽5.10-5.93GHz，为830MHz，S11<-20dB阻抗带宽360MHz。图5（b）为两极化端口隔离度S21，在整个频率带宽内隔离度大于32.5dB，最大值达到40dB。图6为天线单元在中心频率5.54Ghz的辐射方向图，最

6、大辐射方向上增益达到3.75dB。图7（a）是阵列两端口的回波损耗，从图中可以看出，两端口在5.15-5.825GHz频率带宽内均能达到-10dB以下。图7（b）为阵列的两极化端口隔离度的变化图，在整个阻抗频率带宽内达到-30dB以下，最大值达图32×2面阵结构模型70LBsWWSWL1到-70dB。图8为阵列天线在中心频率5.54GHz的仿真方向图，E面最大辐射方向的增益为8.9dB，3dB宽度为36°。H面最大辐射方向的增益为11.2dB，H面3dB宽度为28°。图8（b）H面方向图2.2阵列天线加工与测试按照阵列天线的最优化参数进行

7、加工，介质板采用介电常数为4.4，厚度为1.0mm的FR-4介质板，加工好的阵列天线实物如图9所示：图6中心频率处的辐射方向图图9（a）天线正面图9（b）天线反面由于自身加工精度问题，所以加工的天线阵列与仿真表现出来的回波损耗存在一些偏差。阵列的反面为带有四个“H”缝隙的地板与50Ω的SMA接头，由于条件限制，下面只对天线阵列的回波损耗进行了测试，通过网络分析仪对该阵列天线的回波损耗进行测量，测得回波损耗如图10所示：图7（a）两端口反射系数图10阵列天线回波损耗测试值从图4.18的回波损耗测试图可以看出，在5.15GHz到5.825GH

8、z内，两端口的回波损耗均能达到-10dB以下，满足工程要求。3结论本文设计了一款微带线侧馈的小型双极化微带天线。利用电磁仿真软件HFSS对天线进行优化设计，并进行了相应的实物制作和测试。实验结