缝隙结构的圆极化可重构微带天线设计

Vbl.43 No. 10Oct. 2010天祁大学学报Journal of Tianjin University第43卷第10期2010年10月基于圆环缝隙结构的圆极化可重构微带天线设计李 媛，韩康康，李建兰，叶春晖（天津大学电子信息I程学院.天津300072）摘 要：通过对圖环缝隙结构的圓极化天线的理论分析提出在徴希天线接地板上添加十字形槽以拓展天线帶寛的 方法，并设计出左、右我回极化可重构慫帝天线.实际制作了工作频半为5 GHz的右旋圆极化可重构天线将仿具和实 际测董结果进行比较得出添加十字形槽的圓极化可重枸天线的阻抗带宽为4.45-5.50 GHz.在4.75-5.45 GHz范国 内实測天线相对轴比带宽为14%.这种方法能在不显著增加天线体积的情况下将天线帶寛增加1倍.关键词：可巫构天线；圆极化；圆环缝隙结构；宽带与小型化中图分类号：TN82文献标志码：A文章编号：04932137（2010）100873 06Design of Reconfigurable Microstrip Ring Slot Antenna forCircular PolarizationLl Yuan, HAN Kang-kang. LI Jian-lan, YE Chun-hui(School of Electronic Infonnation Engineering. Tianjin University. Tianjin 300072. China)Abstract： Based on the theoretical analysis of the circular polarization of the ring slot structure, the method of adding a cross slot in the antenna was proposed to widen antennas bandwidth And a left hand circular polarization ( LHCP) and right hand circular polarization ( RHCP) antenna were designed by using this method A reconfigurable antenna, whose frequency is 5 GHz, was made in the piratical. By comparing the simulation result with the measuring result, it proves that adding a cross slot in the reconfigurable antenna can make its impedance bandwidth reach 4.455.50 GHz above In the range of 4.75 GHz to 5.45 GHz, the measured result proves that the AR bandwidth is 14%. The method can double the antenna bandwidth without increasing the ainenna size.Keywords: reconilgurable antenna： circular polarization； ring slot structure； bandwidth and miniaturizationVbl.43 No. 10Oct. 2010Vbl.43 No. 10Oct. 2010收M日期：2009-064）2:修回日期：2010-01-14.墓金項目：国家敢点星础研究发展计划（973计划）资助項目（2007CB310605）. 作者简介：李爲（1957-） 女.硕士.副教授.通讯作者：夕 fcg. Iiyuan.夭线作为一种用來发射或接收无线电波的部件, 在无线通信系统中起着至关重要的作用.随着无线 通信系统的迅猛发展对犬线的要求越来越高.一方 面要求犬线具有宽频带、多功能、多业务融合等特点, 另一方血又要求犬线的体积小、质量轻、成本低从 而提出了可重构大线的慨念并迅速得到发展.可重 构大线的基本思想是共用同一个犬线口径通过电控 开关实时变换大线结构并实时改变通用11径中的电 流分布，从血获得所需要的犬线特性.故毎个町巫构 犬线可等效为共用一个辐射单元的多副大线使多犬 线的结构十分紧凑卩3近年来国内外对町审构大线的研究已取得了很 大进展，获得了众多研究成果卩句.如在实现方法上可 通过改变犬线单元的结构或足通过改变犬线外部的 馈电网络使大线貝冇町重构的特性.这样町以通过 切换犬线不同的状态使犬线貝有多种作模式利用 无线多径信道的空间口由度提高系统容量与传输速 率.因此可重构犬线作为一种新型犬线在阵列犬线 中貝冇重要的应用价值，将成为卜-一代无线通信系统 中的孩心技术之一.町巫构夭线按功能町分为频率町巫构、方向图町 重构、极化可巫构和多参数可重构天线.极化可重构 犬线由于能増加独立的收发信道而不増加犬线体积. 尤其适用于体积受限的移动终端因此引起了越来越 2010年10月竽媛等：甚J：阿环缝隙结构的阿极化可匝构微带天线设计 875 多的关注闘极化大线由于不存在极化失配现象，11 容易获得相关性较低的平衡接收功率而呈现校大优 势.对左旋鬪极化(left hand circular polarigation, LHCP)波和右旋圆极化(right hand circular polariga- tion. RHCP)波互为交义极化，理想帖况卜一对互为 交艾极化的波是互相隔离的，即用LHCP的犬线是无 法接收RHCP來波的信号，反之亦然I).利用交叉 极化隔离待性町在相同空间内设置两个或两个以上 的独立收发信道，可减小天线体积.因此，采用圆极 化可巫构犬线能在相同体积下增加无线岱号的收发 通道，冇利于厉端空时信号处理被认为是提高通信 容呆的有效方法&而展宽圆极化犬线频带宽度是 提高其实用价值的关键,是实现大线宽频带和小型化 的研究巫点，针对这方血已开展了许多研究，但是在 槽缝结构上多采用单一的矩形缝结构I.例如Marc 等提出的双馈电调谐短截棒结构Yang等切设计 的在矩形贴片匕开两个交义的槽并在槽缝上添加开 关结构，还有Sung等3提出的在方形贴片上切角等 方案均已经实现了左右旋圆极化可重构的功能.之 后，FricJT设计的一种带有微扰的圆环缝隙结构的微 带大线实现了线极化和闘极化的多极化町鱼构.正是 山丁岡环缝隙结构在结构上的高度対称性，使其匹配 问题容易解决，且设i十起来比较简单I.笔者采用圆环缝隙结构设计了左、右旋圆极化可 重构天线提出了在天线接地板上添加十字形槽拓展 犬线带宽的方法，并证明这种方法在不显著增加犬线 体积情况下能使夭线带宽提高1倍.1圆环缝隙结构天线恻环缝隙结构犬线是WI极化犬线的典熨结 构.下面对圆环缝隙结构(简称环缝结构如图1所 示)的频率特性进行分析.环缝结构犬线是一种微带 结构，呈片的一面是接地板.匕面开了一个环形缝隙, 另一而用开路微带线馈电,其坐标系如图2所示.图I用微带线馈电的微带环缝天线Fig.l Ring slot antenna with microstrip feeder图2圆环缝隙及其坐标系Fig.2 Ring slot and its coordinate理论h.在无限大导电平板匕的环形缝隙町看 成是面磁流的环形分布，可衷示为(1) 式中：&是【I面电场;鈕垂直于【I鹵的单位矢量.环 缝夭线的远场方向图根据电矢量位法计算求得，假设 接地面无限大不考虑边沿绕射场的影响，远区电场 的爲和耳分量可按两种情况分别求出.窄缝情况I :即血 処，且6=0 , Ep强数 E。,则Ee =EQaJ.(A:osin 0)(2)2rE=0(3)近似求解缝隙内的场分布等效为求解环形均匀 分布磁流元的场分布.窄缝悄况n :即0)0).耳=0 , E严E.cos nd .则Ee = 上 芒cos ”0丿：(ak0 sin 0)(4)2rEa = j E 芒sin ndf col 0Jn(akasin 0)(5)这样当0和 = n时.环缝内的场主要集中分 布在相应的两个区域内.从式(4)和式(5)中可以看 出，当叭=1时,环缝天线匸作在基模状态.这时天 线在亚直丁环缝所在平血的方向上增益嚴大即天线 方向图主瓣指向这一方向.随着模式的增高犬线的 表面波和高次模激励将严頤影响犬线的轴比悄 况.如要获得良好的轴比，在设计时要求天线匸作在 低阶模式以及垒模状态.用HFSS仿真软件対环缝犬 线进行仿真可知环缝犬线丁作在基模状态时，在具 内半径约等于一个波长时i皆振环缝半径越大基片 尺寸越大，则工作频率越低.由式和式可知，环缝内场主要集中分布在 和0=兀相应两个区域内.研究表明在天线接 地板相应区域的环缝上添加矩形槽或I字形槽（如图 3、图4所示）可以明显改变天线输入阻抗匹配状况, 显著增加犬线的带宽图1中犬线大小为32 mmx 34 mm、基板厚度为0.X mm、环缝内半径rb= 8.5 mm、 环缝外半径4二10 5 mm、圆环中心距馈电VJ距离“二 2 mm.图3在此基础上加一个2.0 mm的矩形槽，图 4是在图I的基础上加一个槽宽为1.5 mm十字形 槽.用HFSS软件仿真对这3种犬线结构进行分析, 得到3种犬线在5 GHz附近的仿真気参数曲线，如 图5所示.图3添加矩形槽的环缝天线结构Fig.3 Architecture of ring slot antenna with rectangulargroove图4添加十字形槽的环缝天线结构图5 3种结构天线阻抗带宽对比Fig.5 Comparison of impedance bandwidth of antenna of three kinds通常认为实际测量中SH-10 dB的带宽即为犬 线带宽叫从图5中可看出，在环缝犬线上添加矩形 槽或十字形槽后在较宽的频率范I韦1内，大线输人阻 抗得到了比较理想的匹配，使天线带宽显著增加,相 对阻抗带宽从5%扩展到20%以上,提鬲了 4倍.这两 种扩展犬线带宽的方法利用闘极化犬线的交叉极化 隔离持性，没有增加犬线体积，对馈电网络也没特殊 的要求，有很强的可操作性.相比之下，添加十字形 槽的天线频率特性更好.2环缝结构可重构天线的设计与分析为进一步说明添加十字形槽的方法对闘极化犬 线频带宽度的改善效果，设计了一个环缝结构的町巫 构天线，如图6所示.1.2.3.4.5.6.7.8 -开关图6环缝结构的可重构天线结构示意Fig.6 .Architecture of reconfigurable antenna with ring slot对大线馈电网络进行了精心的设计将起到可重 构作用的馈电部分设置在100Q馈线上减小电磁波 反射;仅采用胸个与环缝耦合的馈电臂，尽址大町能 减小可巫构时多余的耦合部分.另外，采用倒角措 施避免了直角馈线处的反射等.图6中右端为特性 阻抗为50 Q的中心馈线与激励相连，序号18为电 控开关的位置，可用MEMS开关实现.其匸作方式 为:通过MEMS开关控制馈电部分“折线”和“直 线”的切换，调整两个馈电臂的长度使得两个馈电臂 匕相应位置的电流輛值相等，一个馈电臂上电流相位 超前或滞后另一馈电臂90。，从而实现用、右旋闘极 化的可重构.当开关3、4、5、6打开，天线辐射右旋圆 极化波；当开关1、2、7、8打开犬线辐射左旋圆极化 波设计中的相关参数为：基片介电常数 =4.4; tan 6 - 0.02; JU度 h - 0.8 mm; M片尺寸为 26 mm x 24 mm；环缝内半径rb = 5.5 mm ；环缝外半径ra = 7.5 mm；馈电臂长度A = 6.2 mm；圆环中心距馈电臂 距离 恥1.8 mm；两馈电臂长度差为7 mm.计算得 出相应的参数、轴比（AR）曲线为图7和图8中虚 线所示，方向图如图9所示.2010年10月乍媛:仁甚J圆环缝隙结构的岡极化可匝构微带天线设计 877 /ZCHi图7十字形槽天线与原始天线几参数曲线对比Fig.7 Comparison of curves Sn between cross slot antenna and original antenna图X十字形槽天线与原始天线的AR曲线对比Fig.8 Comparison of caves AR between cross slot antenna and original antenna0 2.002.0-4.22.0增益/dB图9可重构天线的方向图Fig.9 Pattern of reconfigurable antenna为展宽频带，研究在闘极化町巫构大线上添加十 字形槽结构，在图6所示的环缝犬线（环缝2 mm）上 添加宽度为1.2mm的十字形槽（见图10）.通过对 图10的结构进行测试得出相应的Su参数、AR曲 线，如图7、图8中的实线所示.方向图如图II所 示.从图7、图8中可看出，未添加十字形槽之前, 5n-15dB的频率范围可从4.67 GHz到5.50 GHz, ARV3dB的范I韦1从4.75 GHz到5.20 GH乙犬线相対 带宽在8%以上，4其方向图前后瓣是对称的这与犬 线结构相符.添加I字形槽之肩夭线的带宽显著增 加相对带宽从8%增加到16%,提高了 1倍,明显改 善T犬线频率待性，提高了犬线宽带化、小型化的指 标从图9和图11中可看出大线方向图增益也冇所 改善从原来的-4.2 dB到2dB在添加十字形槽以后 改善为-5.4 dB到3dB.图10添加十字形槽后天线示意Fig. 10 Antenna with cross groove0 3.003.0$4J.O増益/dB图11添加+字形槽后天线方向图Fig.l 1 Pattern of antenna with cross groove3天线试验电路及测试分析山丁犬线虫、右旋岡极化结构是对称的其匹配 问题比较容易解决.选择用相对介电常数为4.4、厚 度为（）.8 mm的介质卑板，按照图1（）所示结构，设计 制作一个匸作频率为5 GHz的RHCP可重构天线 （见图12和图13）.根据对称性，此RHCP结构同样 能反映iPi LHCP的主要特性.环缝内半径心=5.5 mm, 环缝外半径心=7.5 mm,即环缝宽度为2 mm.十字形 槽宽度为1.2 mm图14显:示了通过欠量网络分析仪 测试得出改进后的环缝夭线的%参数曲线图与仿真 所得的Sn参数比较结果，可以看出仿直与实测值堆 本吻合.改进厉犬线的方向图如图15所示，与图9和图 11 +11比，图15中的方向图形状略有变化，这是由于实 物人线的接地血有限，并存在校强的边沿绕射和环缝 辐射.対主辐射方向图冇调制作用产牛少昴扰动的结果.图12添加十字形槽可重构天线实物接地面示意Fig.12 Grounding surface of cross slot reconfigurableantenna图13添加+字形槽可重构天线实物馈线面Fig.13 Microstrip feeder surface of cross slot reconfigurable antenna图14实测RHCP结构参数曲线Fig.14 Si curves of RHCP structure同极化 交更极化图15 5.(M) GHz处同极化与交叉极化的方向图Fig. 15 Pattern of copolarization and cross polarization in5.00 GHz实测的阻抗带宽为4.455.5() GHz,町见犬线频 带宽度的改善效果显着在4.755.45 GHz范围内, 大线轴比均满足要求，实测相对轴比带宽为14%.图 15为5.0 GHz处同极化与交义极化増益比较图.利 用交义极化隔离特性能在相同空间内增加犬线结构, 减小了可巫构犬线体积，图12中与岡极化可巫构人 线対比的是一角硕币，可以看出犬线体积是相対较 小的.4结语在改善圆极化可重构犬线频带宽度的堆础上，研 究了在环缝犬线上添加矩形槽或十字形槽扩展大线 带宽的方法，并设计制作了一种基于圆环缝隙结构的 右旋同极化可巫构犬线，在犬线接地板上添加了 ir 形槽.分别用HFSS软件仿直和矢量网络分析仪实测 夭线的频率特性通过比较犬线频率特性其改善效 果十分明显，I何且具右很强的町操作性.仿真和实测 结果均证明了这种方法在不增加夭线体积的情况下， 能将天线频带宽度提高I倍如果通过附加反射板 的方法还能进一步提高犬线增益.参考文献：I伍裕江議在平乐铁军.甚J：极化可乘构天线的天线 选择方案J.电子学报.2007.35(：22522257.Wu Yujiang.Nie Zeiping.Le Tiejun. 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