一種串饋微帶全向陣天線的仿真研究

樊文生

(海司信息化部 北京 100841)

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一種串饋微帶全向陣天線的仿真研究

樊文生

(海司信息化部 北京 100841)

論文對串饋微帶全向陣天線的幾種不同結(jié)構(gòu)進行了仿真研究。闡述了它們各自的電氣特性,并進行了比較,旨在對這種天線的工程設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

微帶; 全向天線

Class Number TN82

1 引言

全向高增益天線一直是集群通信和移動通信的重要應(yīng)用的天線。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展,集群通信和移動通信頻率向更高的頻段發(fā)展,在更高的頻段,波長很短,這時若采用傳統(tǒng)的串饋式交叉同軸線天線(COCO天線)等天線,尺寸等比縮小太多,尤其是橫向尺寸,機械加工和結(jié)構(gòu)性能難以滿足要求,實現(xiàn)高增益全向天線已很困難;波導(dǎo)縫隙全向天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工費用高,調(diào)試困難。微帶全向天線與之相比具有多種優(yōu)點,例如,結(jié)構(gòu)簡單,整個天線輻射體僅為一片微帶片,加工成本低,重量也較輕;加工工藝可采用光繪一次成型,加工一致性好、性能穩(wěn)定,便于批量生產(chǎn);匹配容易,對每一節(jié)輻射元都進行阻抗調(diào)配后,可直接饋電(COCO天線必須采取單支節(jié)匹配等措施),并可一次性印制在電路板上;由于加工精度很高,可以應(yīng)用于高達Ku波段;易于和其他有源電路集成在一起。

本文旨在提高微帶全向天線H面方向圖不圓度特性,而不單一注重天線增益特性;旨在提高微帶全向天線的輻射帶寬和阻抗帶寬,而不單一注重一個方面。通過對幾種不同結(jié)構(gòu)進行仿真研究和比較,可以為這種天線的工程設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

2 串饋微帶全向陣天線的結(jié)構(gòu)

串饋微帶全向陣天線和COCO天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。把一段微帶傳輸線的接地板看成電纜的外導(dǎo)體,饋把導(dǎo)帶看成電纜的內(nèi)導(dǎo)體,不難看出它們具有相似的結(jié)構(gòu)。該微帶全向天線是由多個λg/2的微帶段級聯(lián)而成,微帶線段的地板和導(dǎo)帶在介質(zhì)基片的兩邊交替放置,利用交叉連接來達到倒相的目的。由于交叉連接點的不連續(xù)性形成了輻射,使得這種結(jié)構(gòu)存在著兩種模式,即傳輸模和輻射模。對于傳輸模則對陣列的各輻射體饋電。

(a) COCO天線的結(jié)構(gòu)

(b) 串饋微帶全向陣天線的結(jié)構(gòu)

圖1 串饋微帶全向陣天線和COCO天線的結(jié)構(gòu)

每段微帶天線的輻射大小可以由地板寬度來控制。同時也要兼顧天線的全向性能,因此,地板的最大寬度大約在λg/4以內(nèi)。

3 不同尺寸天線的比較

3.1 地板大小不同的情況

圖2 地板大小不同的結(jié)構(gòu)

如圖2所示,表示地板不同其他結(jié)構(gòu)相同的示意圖。通過對這兩種天線進行仿真,得出的阻抗特性和輻射特性的結(jié)果表示在圖3中。圖3分別列出了天線輸入電阻、輸入電抗、電壓駐波比的特性的比較。還列出了三維輻射方向圖的比較。從圖3可以看出不同地板大小,對這種天線的阻抗特性和輻射特性的影響不明顯。

圖4 陣列節(jié)數(shù)不同的結(jié)構(gòu)

3.2 陣列不同節(jié)數(shù)的情況

圖4表示天線的所有結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同,右邊圖中的天線陣列節(jié)數(shù)多出一倍的示意圖。通過對這兩種天線進行仿真,得出的阻抗特性和輻射特性的結(jié)果表示在圖5中。

圖5也分別列出了天線輸入電阻、輸入電抗、電壓駐波比的特性的比較。還列出了三維輻射方向圖的比較。從圖5所示的兩種不同節(jié)數(shù)的陣列仿真結(jié)果看出,天線的阻抗特性和輻射特性的影響很明顯。

仿真結(jié)果還指出,9節(jié)陣列的水平方向增益為6.7dBi,不圓度為0.6dB左右,增益的3dB帶寬為13%;而18節(jié)陣列水平方向增益為10.1dBi,不圓度為0.7dB左右,增益的3dB帶寬為6%。

由此看來,在陣列數(shù)增加1倍的情況下,天線水平方向增益提高3dB;而帶寬下降1倍。

4 結(jié)語

通過對串饋微帶全向陣天線不同地板尺寸、不同陣列節(jié)數(shù)的仿真可以看出,地板大小對該天線的阻抗特性和輻射特性的影響小;而陣列節(jié)數(shù)增大一倍,功率增益增加3dB,帶寬下降1倍。功率增益增加3dB,帶寬下降1倍的結(jié)果是符合天線的一般規(guī)律的。在進行設(shè)計制作這種高增益天線時,要重點圍繞提高天線輻射特性帶寬來作努力。

[1] J. D. Kraus, R. J. Marhefka.天線[M].章文勛,譯.第三版.北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[2] R. Bancroft, B. Bateman. An Omnidirectional Planar Microstrip Antenna[J]. IEEE Trans.on Antennas and Propagation,2004,52(11):3151-3154.

[3] A. Sakitani, S. Egashira. Analysis of Coaxal Collinear Antenna recurrence Formula of Voltages and Admittances at Connections[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1991,39(1):2481-2484.

[4] 閆書保.帶短路匹配枝節(jié)的微帶全向天線設(shè)計與分析[J].電子科技,2011,24(2):16-18.

[5] 牛傳峰,等.單片微帶全向天線的分析與設(shè)計[J].天線技術(shù),2003,29(5):59-60.

[6] 周朝棟,等.線天線理論與工程[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1988.

[7] 魏文元,等.天線原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,1985.

[8] 商遠波,等.一種新型全向高增益天線設(shè)計[J].微波學(xué)報,2009,25(4):63-65.

[9] 林昌祿,聶在平.天線工程手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[10] 鐘順時.微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1991.

[11] 張均,等.微帶天線理論與工程[M].北京:國防工業(yè)出版社,1988.

Simulation on the Microstrip Ominidirectional Antenna in Series Feed

FAN Wensheng

(Navy Command Information Department, Beijing 100841)

In this paper, several structures of the microstrip ominidirectional antenna in series feed are simulated. It expatiates and contrasts the characteristic of the antennas, aiming at provding guidance for engineering.

microstrip, ominidirectional antenna

2015年1月3日,

2015年2月27日 作者簡介:樊文生,男,高級工程師,研究方向:艦船通信。

TN82

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.030