1、带有辐射增强结构的毫米波窄边直线渐变微带缝隙天线研究关福宏 孙晓玮(中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 200051) 摘 要： 本文主要设计了适用于阵列毫米波成像系统馈源的 Ka 波段宽频带直线渐变式微带缝隙天线。运用在天线辐射开口处加印刷偶极子的结构优化天线的辐射特性，采用皱褶边缘结构去除有限地平面的影响，设计出适合馈源阵列的长度 36mm，总宽度 10mm，边缘宽度仅为 2.5mm 的窄边直线渐变式微带缝隙天线。天线的中心频率 35GHz，测试结果表明在 10GHz 频带范围内天线增益平坦、约为 12dB，回波损耗小于-10dB。 关键词：渐变缝隙天线 馈源 宽频带Researc
2、h On Narrow Edges Tapered Slot Line Antennas with Enhanced Radiation StructureGuan Fuhong Sun Xiaowei(Shanghai Institute of Microsystem feed source1 引言渐变式微带缝隙天线的辐射原理与微带贴片、微带振子等不同,它属于端射式行波天线，具有频带宽、增益、方向性中等、低旁瓣、波束对称 1, 2等特点。同时因其在结构上属于平面天线，结构简单、重量轻，易于和射频集成电路集成、对加工精度要求低而具有成本低、容易实现的特点而越来越受到关注。 基金项目：国家 97
3、3 项目(2009CB320207)；国家自然科学基金项目(60771058)改进天线的辐射特性 3, 4方法有很多种，在不增大天线的物理面积的前提下，我们采用褶皱边缘和缝隙加偶极子的新型结构增强缝隙对电磁场的辐射能力，抑制有限地的影响。文献5采用了类似的方法，但是该文献中的缝隙天线较短，已不属于行波天线；而且，文中是将用于改善辐射特性的偶极子放在天线的辐射端口以外的位置，实际上相当于加长了天线的总长度，另外该文仅给出这种方法的仿真结果，并没有实际的测试结果。2 改进的直线渐变微带缝隙天线改进后的渐进式缝隙天线的基本几何结构如图1 所示。辐射缝隙中引入偶极子结构，天线的边缘采用周期褶皱结构，具
4、体尺寸如表 1 所示。（a）传统天线结构（b）改进后的天线结构图 1 渐进式平面缝隙天线结构表 1 Ka 波段直线渐变式微带缝隙天线几何尺寸参数名称 参数值 参数名称 参数值L（mm） 36 X 1W（mm） 5 DS（mm） 0.2D（mm） 2.5 DD（mm） 2.5CW（mm） 0.8 DL（mm） 2CL（mm） 2.3 DW（mm） 0.23 天线辐射特性分析3.1 天线设计3.1.1 渐变缝隙加偶极子结构偶极子的几何尺寸约为中心频率的对应的自由空间的四分之一波长，固定天线的W=5mm，L=36mm，D=2.5mm，CL=2.3，CW=0.8mm，X=1 ，中间缝隙 DS=0.2m
5、m、长度DL=2mm，扫描距离辐射端的距离 Dis。偶极子在不同位置时的天线辐射特性如图 2 所示，可见，在辐射缝隙中引入偶极子结构，将引起行波相速度的改变，恰当的选择偶极子的尺寸和位置，能使行波阻抗与自由空间中的波阻抗实现更好的匹配，从而使有效辐射能力增强，改善了天线的远场特性。（a）增益（b）前后比图 2 F=35GHz 不同位置 DD 偶极子对应天线辐射特性3.1.2 褶皱边缘结构为了得到较好辐射场，通常情况下，天线开口边缘距离基片的宽度 D 约为 2 ，但是为了实现0阵列应用，必须尽可能的减小 D，因此确定D=2.5mm。为了尽可能减小有限地对天线辐射特性的影响，边缘采用褶皱结构 6，
6、7 。图 3 是采用褶皱边缘结构的天线表面电流分布，可见在天线地平面的边缘处基本没有能量的反射，从而较好的保证了天线的行波辐射。图 3 改进后 F=35GHz 时天线表面电流分布3.2 仿真结果表 2 对三种结构的天线辐射特性进行了比较，传统结构即 D=2 时天线的辐射特性。可见，在0采用皱褶边缘结构后，天线的辐射特性与传统结构相比已经比较接近，3dB 波束 E 面略变窄，H 面略有展宽；10dB 波束 E 面 H 面均略有展宽，其中H 面比 E 面展宽的更多。在引入偶极子结构后，获得了比较对称的波束，增益提高接近 1dB，最显著的是前后比有明显改善，由原来的 25.4dB 提高到33.5dB
7、。图 4 为采用这三种结构的直线渐变缝隙天线在频率为 35GHz 的辐射方向图。可见改进后的天线结构有效的抑制了有限地平面对辐射特性的影响，改善了辐射特性，实现了尽可能小的体积的条件下，保证天线的辐射能力的要求。表 2 Ka 波段直线渐变式微带缝隙天线性能比较条件传统结构皱褶边缘皱 褶 边 缘 +偶 极 子E 平面 38 33 363dB 波束宽（度） H 平面 34.5 36 38E 平面 54 56 5610dB 波束宽（度）H 平面 54 58.5 58前后比（dB ） 25.4 30.0 33.5增益（dB ） 12.37 12.5 12.92（a）（b）图 4 频率 F=35GHz
8、时，改进后和未改进结构的天线方向图比较，a 、E 面 b、H 面A皱褶边缘+ 偶极子、B 皱褶边缘、C传统结构4 天线的加工测试天线及馈电结构制作在厚度 0.254mm、介电常数 2.2 的 5880 基片上，天线的实物如图 5 所示。天线的馈电方式采用文献8中的方法,实现了槽线-微带的转换，展宽了槽线的宽度，便于微带线与单片集成电路进行系统集成。应用 hp8722D 矢量网络分析仪对天线的回波损耗进行了测试，测试结果表明在 30GHz-40GHz 频率范围内该天线的回波损耗均小于-10dB。图 6 为频率 35GHz 天线测试和仿真方向图。图 7 所示为频率对应最大增益测试曲线，验证该天线的
9、宽带特性。测试结果表明在 30GHz-40GHz 频率范围内该天线的回波损耗均小于-10dB，具有平坦的增益，最大增益约为 12dB。图 5 改进的 Ka 波段直线渐变式微带缝隙天线（a）（b）图 6 35GHz 天线方向图 a、E 面，b、H 面图 7 天线增益-频率对应测试曲线5 结论本文论述了用于毫米波阵列成像系统的辐射计的馈源直线渐变式微带缝隙天线的设计改进。仿真了天线的特性，对传统结构进行了改进，采用在辐射缝隙增加偶极子辐射单元的方法改善天线的辐射特性，运用褶皱边缘的结构来补偿有限地平面对天线辐射特性带来的负面影响。最终设计出适用于馈源阵列的窄边、宽带、对称波束、高前后比、增益适中的
10、直线渐变式平面微带缝隙天线。参 考 文 献1 D. H. S. K. S. Yngvesson, T. L. Korzeniowski, E. L. Kolberg, T. Thungren, and J. F. Johansson, “Endfire Tapered Slot Antennas on Dielectric Substrate,“ IEEE Trans. Antennas Prograt., vol. 33, pp. 1392-1400, 1985.2 103 T. L. K. K. S. Yngvesson, Y. S. Kim, E. L. Kollberg and and
11、 J. F. Johansson, , Vol. 37, No. 2, pp. 365-374, Feb. , “The Tapered Slot Antenna A New Integrated Element for MM Wave Applications,“ IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., vol. Vol. 37, pp. 365-374, 1989.3 121 H. N. A. T. G. Lim, I. D. Robertson and B. L. Weiss, “Tapered slot antenna using photoni
12、c bandgap structure to reduce substrate effects,“ Electronics Letters., vol. 41, pp. 393-394, 2005.4 122 K. S. H. Sato, Y. Wagatsuma, and K. Mizuno, “Design of narrow-width Fermi antenna with circular radiation pattern“ IEEE Antennas and Propagation Society Symposium, vol. 4, pp. 4312-4315, 2004.5 1
13、23M. Sato, T. Hirose, H. Sato, K. Sawaya, and K. Mizuno, “A novel small tapered slot antenna for passive imaging sensors,“ in Microwave Symposium Digest, 2005 IEEE MTT-S International, 2005, p. 4 pp.6 119P.-s. Kildal, “Artificially soft and hard surface in electromafnetics,“ Ieee Trans. Antennas Pro
14、pagat., vol. 38, pp. 1537-1544, Otc. 1990.7 120R. S. Elliott, “On the Theory of Corrugated Plane Surfaces,“ I. R. E Trans. Antennas Propagat., pp. 1954-1964, Apr. 1954.8 125 J. P. Kim and W. S. Park, “Network analysis of inclined microstrip-slotline transitions,“ Microwaves, Antennas and Propagation
15、, IEE Proceedings -, vol. 147, pp. 412-416, 2000.作者简介：关福宏，女，博士，主要研究领域为小型化天线设计，毫米波系统集成技术。孙晓玮，女，研究员、博士生导师，主要研究领域为毫米波集成电路、系统等。Ku 波段宽带双频双极化微带天线阵徐永杰 1 姜 兴 2(桂林电子科技大学信息与通信学院, 桂林 541004)摘 要：综合运用了缝隙耦合馈电技术、双线馈线技术和引入空气层等方式展宽了天线的频带，设计出一种工作在 Ku 波段宽带双频双极化微带二元天线阵。利用反相馈电抑制了高次模的耦合激励，降低了交叉极化电平，提高了两个极化端口的隔离度。用三维电磁场仿真
16、软件 CST2008 对天线阵的电特性进行了仿真和优化，实测结果和仿真结果吻合较好。实测结果表明：水平极化端口在 11GHz14.2GHz 频率范围内回波损耗小于-15dB，相对阻抗带宽为 25.4%；垂直极化端口在 13GHz15GHz 频率范围内回波损耗小于-15dB，相对阻抗带宽为 14.3%。两个极化端口隔离度小于-30dB，最大增益为 10.7dBi。关键词：宽带，双频双极化，缝隙耦合馈电，微带天线Wideband Dual-frequency and Dual-polarization Microstrip Antenna Array at Ku-bandXu Yongjie1 J
17、iang Xing 2(School of Information and Communication Engineering , Guilin University of Electronic Technology ,Guilin 541004)Abstrate: A wideband dual-frequency and dual-polarization microstrip antenna of two-element array at Ku-band is described in this paper. The aperture-coupled feeding, dual-line
18、s feeding and inserting of the air layer technologies are adopted to achieve wider bandwidths.The method of anti-phase feeding technique that contributing to suppress the higher order modes ,decrease of cross-polarization and improve the isolation between two polarization ports is also applyed. The
19、parameters of antenna are simulated and optimized by the simulator of CST2008, The measured results are in good agreement with the calculated ones. The measurement results show that the relative impedance bandwidths are 25.4% from 11GHz to 14.2GHz for horizontal polarization channels and 14.3% from
20、13GHz to 15GHz for vertical polarization channels, which return loss less than -15dB are obtained ,respectively. The isolation between the two ports is less than -30dB across the entire operating bandwidth, the maximum gain is about10.7dBi.Keywords: Wideband; Dual-frequency and Dual-polarization; Ap
21、erture-coupled feeding; Microstrip antenna1 引言微带天线以其体积小、重量轻、低剖面、易与有源器件集成、能与载体共形等诸多优点，日益受到人们青睐，然而其频带较窄的固有缺点限制了它的广泛应用。随着 Ku 波段卫星通信的发展和通信信息容量需求的不断增大，需要天线具有双频双极化能力。因此，宽带双频双极化微带天线成为天线研究领域的一个重要课题。目前，国外已有不少Ku 波段双频双极化微带天线的研究，都取得了较高的隔离度 1, 2，但带宽较窄。为了增加带宽，多采用多层叠式结构，但其结构复杂，不易集成，限制了它在卫星通信、车载雷达通信和散射通信等领域的应用潜力。本文
22、综合运用了缝隙耦合技术、双线馈线技术和插入空气层等方式设计出了一种工作在 Ku 波段宽带双频双极化微带二元天线阵。用CST2008 软件对该天线阵进行了仿真优化，并根据优化结果制作了天线阵实物，文中给出了实测和仿真结果，两者吻合较好。2 天线阵设计本文设计的天线阵结构如图 1 所示，天线阵的主体由两层介质板组成。辐射贴片倒置于第一层介质板的下面，这样布置使得介质板可以起到天线罩的作用。接地板和馈线分别位于第二层介质板的上部和下部。接地板上刻有两对相互垂直的 H 型缝隙，如图 2 所示。实验证明开 H 型耦合缝隙可以得到较大的耦合量，开 H 型缝隙的微带天线一般可以获得 10%(VSWR2)左右
23、的相对带宽，而且具有良好的交叉极化性能 3。馈电网络如图 3 所示，输入端口用阻抗 50 欧姆的微带线连接，通过 T 型功分器分配能量到馈线的开路终端。为了把两个辐射元的辐射方向变成同相，二元阵在水平极化端口1 采用了反相馈电技术 4，一分二功分网络到两个馈线终端的相位相差 。采用反相馈电有效地抑018制了高次模的耦合激励，使隔离度明显提高，降低了交叉极化电平。垂直极化端口 2 采用同相馈电，并在馈线开路终端采用双线馈线，双线馈线有效地增加了工作带宽。通过调节开路终端微带馈线的长度和 H 型缝隙的尺寸以及辐射贴片的大小来改善天线的阻抗匹配特性，以提高端口的频带宽度。在两层介质板之间引入了空气层
24、，相当于减小了上层介质板的平均相对介电常数，降低了微带天线的 Q 值，从而达到了增加天线带宽的目的，同时也提高了天线的增益 5。为了减少 H 型缝隙所引起的背向辐射，在离接地板四分之一波长处加了一块金属反射板，这有利于提高天线的增益。在接地板和馈线之间选用的是 Rogers 公司生产的 RO4003C(介电常数为 3.38，厚度为 0.813mm)介质基板，理论上说其介电常数越大对波的束缚作用越好，减少漏波，增大能量耦合效率。辐射单元采用 Arlon 公司生产的 DiClad880 (介电常数为 2.2，厚度 1mm)低介电常数基片以展宽频带。图 1 天线阵侧视图图 2 天线阵俯视图这种天线阵
25、易集成，同时具有缝隙耦合微带贴片天线的所有优点。馈电网络和辐射贴片间通过接地板隔离开了，因此减小了馈线的寄生辐射对天线阵方向图的干扰。这种层式结构允许馈电网络集成在高介电常数的介质基片上，而贴片则集成在低介电常数的介质基片上，利用高介电常数的馈电基片可以减小馈电电路的尺寸；同时采用介电常数较低的贴片基片，能够获得更好的辐射效率和更宽的带宽 6。图 3 馈电网络3 天线阵仿真与实测结果基于以上设计,用三维电磁场仿真软件CST2008 对该天线阵进行了仿真和优化，优化后得到天线阵两个极化端口的 S 参数如图 4 所示。图 4 天线阵两个极化端口 S 参数仿真结果从仿真结果来看，水平极化端口在10.
26、9GHz13.82GHz 的频率范围内回波损耗小于 -15dB，相对阻抗带宽为 23.6%；垂直极化端口在13.1GHz15.02GHz 的频率范围内回波损耗小于 -15dB，相对阻抗带宽为 13.65%。在 11GHz15 GHz 整个频带范围内两个极化端口隔离度均优于28dB。可见该天线阵具备良好的带宽和双频双极化特性。根据优化结果制作了二元天线阵实物模型如图5 所示。用 Agilent N5230A 矢量网络分析仪对天线阵两个极化端口的 S 参数进行了测试，测试结果如图 6图 8 所示。图 5 二元天线阵实物测试结果表明：水平极化端口在11GHz14.2GHz 频率范围内回波损耗小于 -
27、15dB，相对阻抗带宽为 25.4%；垂直极化端口在13GHz15GHz 频率范围内回波损耗小于 -15dB，相对阻抗带宽为 14.3%，可见该天线阵具有很宽的工作频带。在 11GHz15GHz 频段内两个极化端口的隔离度均优于 30dB。因实物模型调试后谐振效果好于仿真值，所以实测的结果略优于仿真值，但总体吻合较好。图 6 实测水平极化端口反射系数图 7 实测垂直极化端口反射系数图 8 实测两个极化端口的隔离度最后，对天线阵的方向图进行了测量。图 9 给出了天线阵在频率 12.6GHz 处水平极化端口仿真与实测 E 面和 H 面远场方向图。图 10 给出了天线阵频率在 14GHz 处垂直极化
28、端口仿真与实测 E 面和H 面远场方向图。在 12.6GHz 频率处，实测天线阵最大增益为 10.7dBi,第一旁瓣电平约为 -14.1dB。在14GHz 频率处，天线阵最大增益为 10.4dBi,第一旁瓣电平约为-13.8dB。天线实测方向图和仿真结果略有偏差可能是因为测试环境影响所致。实测结果表明：该天线阵电性能和辐射特性良好，并能满足工程应用要求。图 9 水平极化端口 E 面和 H 面方向图图 10 垂直极化端口 E 面和 H 面方向4 结论本文设计了一种工作在 Ku 波段宽带双频双极化二元微带天线阵。用三维电磁场仿真软件CST2008 对该天线阵的结构进行了仿真优化。由于设计的天线阵综
29、合运用了缝隙耦合馈电技术、双线馈线技术和引入了空气间隙等方式，设计的双频双极化天线阵水平极化端口在 11GHz14.2GHz 频率范围内回波损耗小于-15dB，相对阻抗带宽为 25.4%；垂直极化端口在 13GHz15GHz 频率范围内回波损耗小于-15dB，相对阻抗带宽为 14.3%。两个极化端口的隔离度也高于 30dB，实测天线阵最大增益为 10.7dBi, 测试结果与仿真结果吻合较好。该天线阵电性能和辐射特性良好，可满足其在卫星通信、车载雷达通信和散射通信等领域的工程应用。参 考 文 献1 Hyungrak Kim. A Study on the Dual Feeding Structu
30、re for Microstrip Antenna with High Isolation, IEEE Trans. Antennas Propagat. 2002：Volume. 53, no. 2, pp.861-862.2 Revuen Shavit and Yuval Tzur.Design of a new Dual-Frequency and Dual-Polarization Microstrip Element，IEEE Trans. Antennas and Propagation 2003：Volume. AP-47, pp.1416-1420.3 H.S.Shin, N.
31、Kim. Wideband and high-gain one-patch microstrip antenna coupled with H-shaped apertureJ. Electronics Letters, 2002,38(19):1072-1073.4 K.Woelders， J.Granholm, Cross-Polarization and Sidelobe Suppression in Dual Linear Polarization Antenna ArraysJ. IEEE Trans. Antennas and Propagat，1997,45,(12): 1727
32、-1740 5 ZHANG YA BIN , LI BIN HONG, LIU YI JUN. A procedure to design aperture coupled stacked microstrip antenna based on experimentJ . Microwave and optical technology letters, 2002, 35(3) : 244- 247.6 王宇，姜兴，李思敏.Ku 波段宽频带双极化微带天线 阵的设计J.电播科学学报, 2008, 23(4): 276-279一种小型化双频微带天线设计曹宜森 1,2 卢春兰 1 彭 川 1 朱卫刚
33、 1（解放军理工大学通信工程学院，南京 210007） 1 （解放军 93975 部队） 2摘 要：本文提出一种基于 T 型开槽的改进平面倒 F 微带天线新结构。该天线将普通平面倒置 F 辐射贴片的尾端折叠起来，并在辐射贴片上开 T 形槽，使天线实现双频，相比 U 型开槽结构，该天线尺寸减小30%。仿真结果表明，该天线在工作频段内（ ）具有良好的输入820MHz9:,1850Hz9Mz:特性和辐射特性。关键词：T 形槽，双频天线，平面倒置 F 型天线Design of A Pint-sized Dual-Band Microstrip Antenna Cao Yi-Sen1，2 Lu Chun
34、-Lan1 Peng Chuan1 Zhu Wei-Gang1（ICE，PLAUST Nanjing 210007，China） 1 （No.93975 unit of PLA） 2Abstract: An improved T-shaped planar iInverted-F microstrip antenna is proposed in this paper. The antenna loaded with a T-shaped slot on the radiating patch which is folded up can work on two different frequ
35、encies,this configuration made antennas size minish 30% compare to the U-shaped. Simulated results indicated that the antenna has a good performance of return losses and radiation pattern. Key words：T-shaped slot；dual-band；PIFA1 引言近年来，随着移动通信的迅速发展，作为通信系统的关键部件天线面临更加严峻的挑战，其中，对于手机和其他移动终端天线来说，要求具有宽频带、尺寸小
36、、双频段、重量轻等特点。微带天线以其体积小、重量轻、低剖面、能与载体共形、易制造、成本低等诸多优点得到了广发的关注和应用。微带天线实现多频工作方式基本分为两类，即多片法和单片法 1。多片法是利用谐振频率不同的多个贴片工作，主要适用于双频或多频间隔较大的场合。单片法分为单片多模法和单片加载法。单片多模法通过空腔内激励其具有不同谐振频率的模式来实现多频段工作。单片加载法是利用电抗加载的方法来实现双频或多频工作，可以得到频率间隔比较近的两个或多工作频率。这种方法通常采用加载微带支节或开缝隙来实现，采用开缝隙的方法可以减小尺寸，且方便加工。微带天线实现小型化方面，通常采用高介电常数的介质板、加载短路针
37、等方法2。基于上述分析，在文献3的基础上，提出在辐射贴片上开 T 形槽来实现双频的微带天线，通过调整 T 型槽的大小来实现双频。该天线的主要特点是将辐射贴片尾端折叠起来，在上贴片上开 T 形槽，这样，既实现了双频，又实现了天线的小型化，而且易于加工制造。通过 HFSS10.0 仿真设计。实现了工作于 ，820MHz:9z1850MHz:的双频段工作。在低频段带宽为 ，19在高频段带宽为 。142 天线结构天线由折叠的辐射贴片、T 形槽、短路针、馈电同轴线、接地板和介质板构成，见图 1 。天线在低频端的谐振频率主要由整个辐射贴片的长度来决定，在天线辐射贴片上开 T 形槽，T 形槽的大小和位置决定
38、了天线在高频端的谐振频率，并可以调节天线与同轴线之间的匹配；辐射贴片尾部折叠，这样可以减小天线尺寸，但会降低辐射效率；短路壁把辐射贴片和接地板连接起来，起调节天线与馈电同轴线之间匹配的作用。天线介质板为 Bakelite（ ） ，天线采用4.8,tan0.2r50 的同轴线馈电。天线尺寸为： 112332W=0m,L,H=5,L4.m,9h.,r0.图 1 天线结构图3 辐射原理由腔模理论，在微带天线工作的谐振频率附近，可等效为一个 简单并联谐振电路5，如图 2RLC所示。其输入阻抗可表示为 ， 是该inrfZXr膜谐振电路的谐振电抗， 为馈源电抗，是其他f模的合成效应。 （1）2 2(1)m
39、nmnrnjLXGC（2） 2(,)(.)nmmnnmL（3）fjL其中， 为相应的等效电容电感， 为,nCn谐振频率。LmnCnG图 2 微带天线等效电路对于单模工作的贴片微带天线，利用电抗加载的方法可以实现双频工作 6。根据空腔膜型可知，微带天线在某模谐振频率附近的输入电抗可表示为， 、 见（1） ， （3）式，当用一个电rfXrfX抗对微带天线进行加载时，天线的谐振频率特征方程为 ，式中， 是等效的加载0rfLLX电抗， 是与加载位置有关的修改系数，这就是电抗加载方法的基本原理。本天线采用在辐射贴片上开 T 形槽的加载方法，这样，天线谐振频率特征方程中 就是与 T 型槽LX位置、尺寸有关的等效电抗。通过调整 T 型槽的位置、尺寸就可以实现天线的双频工作。在低频段，工作频率由（ ）决定；在高频，工作频12Lh率主要由 决定。3(,)XW4 结果与分析HFSS10.0 仿真结果表明，天线工作于的双频段，80MHz9,1850Hz9Mz:在低频段带宽为 ，在高频段带宽为 ，见140图 3。下面讨论参数 对天线特性的23,W,Lrh影响。图 3 天线的回波损耗随 f 的变化曲线折叠长度 对于天线高频端的谐振频率有很大2L的影响，在其他参数不变的情况下， 的改变对天2L线谐振频率的影响见图 4， 的变化对于天线的低2端谐振频率的影响不大，而对天线在高频端的谐振
