第29卷第10期2007年10月
电子与信息学报
Journal0f
Vol29No,10
E1ectr叽i翻&IⅡ6珊ationTedmology
Oct.2007
CPW馈电缝隙耦合蝶形毫米波贴片天线
顾东华
丁桂甫
陈伟强
孙晓峰沈民谊黎滨洪
(上海史通大学微纳科学技术研究院微米/纳米加工技术国家重点实验室
薄膜与徽细加工技术教育部重点实验室上海200030)
摘要:该文研究了一种工作在Ka波段共面波导(CPw)馈电缝隙耦合的蝶形贴片天线。耦合缝隙位于接地板上,而不需要额外的缝隙耦台层,使天线更易与电路相集成。耦合缝隙的存在改变了接地板上原有表面电流的分布,使电流沿着缝隙边缘流动,因此馈线与辐射源的电磁耦合效率得到提高。用有限元分析软件(Ans0RHFsS)对衬底厚度、贴片角度、耦合缝隙大小等参数变化时的天线性能进行了仿真。比较并分析了吕。,增益等天线性能参数的变化规律.并在带宽最优的条件下给出了一组参数值,此时天线的工作频率为35.5GHz,带宽为1.22GHz,增
益为6。38d&
关键词:共面波导;蝶形天线;贴片天线;缝隙耦合中图分类号:TN823
文献标识码:A
文章编号:l呻9_5896(2007)10_2392.04
CPW.Fed
GuDon}hua
BoW-TieSlot.Coupled
Ding
MillimeterW打ePatchAnte眦a
Sun
Gu“u
ChenWbi-qiang
Xia0-‰g
Shen
Min-yiLiBin_hong
—o咖n耐风F上d幻rnfo删o,Ⅳ肌加觑瑚凡6砒“oⅡzkh02哟,胁分如6帆to删o,n讯只;m帆d心伽归辆∞“∞可
施n础w盯尉"∞tio%胁眺妇巧埘c巾叽d讹nD&≤阱∞nndz幻厅"口?唧,
鼢㈣9胁f^nDtD哪‰曲e恻吼肌帆9hf200030,∞讥叫
腑r扯t:AcPw・埘810t—coupled
the
millimeter
needfor
w啪(Ka
8
b蛆d)patch8IItenm
1ay盱.The
isdi8cus8ed.Thecouplitlg8lotis
ofthe
on
FoundplaⅡe,heⅡcethe弛iB
0n
no
couple日lot
cⅢeⅡtdi8tribution
theground
p岫,and
p瑚ence
coupling8lotdhang即the
thecurrentjs
guidedbythe8lot,也ecoupl.Ⅲgbetw∞nthefeedpan
andtIlerddiationpartis
eⅡh8Ⅱced.AⅡBo盘HFSS,ahIghfrequencystructuresi皿datioⅡsoRwareba8edoⅡFinite
ElementMethod(FEM),i8u8edt0蚴alyzetheante曲8pe哟rIn8nces.Vadati哪ofpara蹦erB8uch船:8u1)8tr艄ethickne帮,baw-tiepatch衄一e,c叫plings10tBize,甙c.8rediscu8sed.ABetofpar锄e细j8西vena此盯comparing
如d粕alyzing
the
8.蚰Ill砒i咖r恻止t8,蛐ch勰&l
aIld
ga.m0fthe
aⅡten眦.The8I】teⅡ∞works
atthecent盯
乩quencyof35.5GlIz,theb如dwidthi8l22GHz,andthe98iⅡi86.38dB.KeywWd8:CPW;Bow—tie舡吐ennB;Patch8ntenⅡa;CoupliⅡg8¨1引言
随着卫星通信的发展和无线电频道的日益拥挤,无线电技术向越来越短的毫米波、亚毫米波方向发震。毫米波介于微波和波光之间,因而兼有两者的优点;宽带宽,高分辨率,小尺寸,易小型化、集成化。因此毫米波技术在军事(雷达、
米波段遇到了新的困难.随着频率的提高,对加工精度的要求越来越高.传统的机械加工已经不能满足这种要求了,必须借助于新的高精度的加工技术。此外,辐射单元也必需重新设计。以满足毫米波系统小型化、集成化等要求。贴片天线是符合这一要求的形式之一,它具有体积小、重量轻、低剖面、增益高,便于与有源器件集成等优点例。而且贴片天线可趴使用MEMs微加工技术加工.加工精度能够得到保证。共面波导(CPw)除了保留微带线重量轻、剖面低、易于集成等优点外,还具有低损耗和色散小等优点,越来越受到研究人员的关注【tl。
本文研究了一种工作在KB波段的cPw馈电蝶形贴片天线,此辐射元结合了贴片天线和cPw传输线的优点。使
制导、电子对抗等)、通信、安全(汽车、直升飞机防撞系统)
等领域中有着广泛的应用。
在毫米波等无线通讯系统中,天线是连接内部电子系统
与外部环境的重要组件叭天线性能的优劣直接决定了毫米
波系统的分辨率、有效作用距离等主要性能参数。现代的雷达系统通常选用天线阵列来提高天线的性能.如目前雷达广泛使用的波导缝隙天线,采用在波导上开一系列缝隙,形成辐射缝隙阵来提高辐射性能吲。但是此类波导缝隙天线在毫
用有限元仿真软件(A咖赴HFss)对天线设计参数进行了仿
真优化a仿真结果表明,天线中心频率为355GHz,增益
6
38dB.驻波比1.5时带宽为1.22GHz,比传统的蝶形贴片
2006_03-06收到,2006_08_09改回
臣家部级基金和匡家自然科学基金(100377009)瓷助谋题
天线的带宽要宽m。
万方数据
第10期顾衷华等:cPw馈电缝隙耦合蝶形毫米波贴片天线
2天线设计
天线结构如图1所示,采用高致密、低损耗的氧化铝陶瓷基片。纯度为99.5%,Ka波段时.其损耗角t觚6为2×10_t;舟电常数为9.0,这样可以进一步减小辐射元的尺寸,
村底大小为10×10衄2。厚度为森。贴片部分采用图lf3)
所示的蝶形结构。贴片长为£。,宽I_10为4mm.贴片角度
为口,中间连接部分长度工为l衄。贴片与接地板形成一
个谐振腔,但是此谐振腔四周没有真正封闭,因此在开路边沿会产生辐射。该碟形贴片腔可看作由矩形贴片腔把两条x方向直线边沿改为矿形边沿而成,基本腔膜理论仍适用。两个最低模式为TMmo和TMl呻,用等效磁流原理分析计算它们的远区辐射场时.一般结论为:一对边沿的等效磁流(^f=一竹×占)是同向的,而另一对边沿的等效磁流是反向的。前者在贴片法向方向上叠加成主波束,获得较高的增益,后者在贴片法向方向相抵消形成零陷。在此,我们激励的主要是Thk,。模,由于辐射边沿为y形,按l,方向长度应为约~/2的原理,现在该长度在一定范围内是变化的,因此可以增加工作频带。
妇
口l
kD一知
卜—一”——一
(e)蝶形贴片
(b)cPw馈电部分
[:=量互]±
(讨无线剖面
图l天线结构示意图
蝶形贴片采用终端开路、缝隙耦台的CPw馈电,如图
1(b)所示。调节CPw的尺寸,使其特征阻抗为5帅,CPw长度为L。长为丘,宽为睨耦合缝隙位于贴片正下方,耦
台缝隙的作用是使整个贴片都受到激发,而不需要额外的缝隙耦台层阿,使其更易与电路相集成。这是由于存在耦合缝隙时,原先接地板上沿着CPw缝隙两岸流动的电流会沿着
耦合缝隙边缘流动.使CPw与辐射贴片间的电磁耦合得到
加强,耦台效率提高。耦合缝隙与cPw的缝隙的间距G
为0.1衄,这个距离不能过大,否则大部分电流仍沿着CPw
缝隙边缘流动,耦合缝隙没有起到应有的作用.使耦合效率降低。
万
方数据3仿真结果分析
用有限元仿真软件(AnsoftHFss),对这种CPw馈电的蝶形贴片天线进行了系统的仿真分析。为了得到此设计下最佳的辐射性能,研究了如下一些参数变化时天线辐射性能豹变化:衬底材料厚度缸CPw传输线长度L,耦合缝隙
宽度胁,耦台缝隙长度L和贴片角度a.主要分析了天线
的中心频率变化、带宽特性及增益变化。然后以带宽做为基准,选取最优的一组参数。图2至图6显示了各参数变化时S.变化曲线,表l至表3列出了各参数变化时35G}k时的
增益特性。对每组参数,其他参数分别设为:括0.6衄,
L=7.5mm,M=1.8mm,L=1.4mm,D=O.7,这些参
数值是大量仿真分折后得出的结果。并使用CST微波工作室对最终所得天线进行了验证性仿真,两个软件仿真结果相一致,这说明了仿真结果是正确的。3.1衬底厚度对天线性能的影响
图2显示了树底厚度变化时,焉。的变化曲线。从图中可以看出,当厚度增加时天线的谐振频率降低。这是由于厚度增加时,衬底的有效介电常数增加,有效介质波长减小,使天线的电尺寸增加,天线的谐振频率也相应降低来保持谐振时的电尺寸不变。天线的带宽在^;0
6蛐时达到最宽为
1.22G}Iz,中心频率为35.5G}Iz,此时增益也较高,为
6.38dB。
3.2贴片角度对天线性能的影响
国3显示了贴片角度。变化时S,的变化曲线,可以看到当贴片角度变大时天线的谐振频率降低。因为贴片的总宽
矸0固定为4蛐,贴片边沿长度L随△的增加而增加,天
线尺寸变大.所以谐振频率随之而减小。选择带宽最宽增益较好的口=0.7作为角度的最优参数。
00
一
曼_知
一
%Ⅷ
盲Ⅻ
:
酊Ⅻ
30
32就36
3s
4。
30
3234豁38鲫
频率(GH习村底厚度^—..O+06m
额率(GHz)
贴片角度口
+07
+04口m+07mm+06_-0+0755mm—.-08mm
65—+08
图2村底厚度(帕变化时
图3贴片角度(口)变化时
岛t变化曲线
品,变化曲线
寰l村底厚度(岣变化增益特性表
签垦璺堡f!坚!
!:!!:!!:!!一!!:!
望蕉li里
!:!:
!:竺
!:翌!:!!!:丝
’
2394
电子与信息学报
第29卷
表5
cPw长度(工0变化时增益特性表
竺£型量堡i些生!:i
!:!
!i
!:垒
擅童塑璺
!.翌!:!!!:塑!:翌
3.3
cPW长度对天线性能的影响
圈4显示了GPw馈电长度变化对St的变化情况,可
以看到当CPw长度变化时,谐振频率变化不太,但是反射损耗变化很大,致使带宽变化较大。当cPw长度较短时.贴片的前半部分与馈线间的耦合不够,因而天线整体的电磁耦合效率低,回波损耗较大;而当cPw过长时,会激励起表面波。使天线的散率降低,所以三。为7.5mm时,带宽达到最大值。
0
2Ⅲ
^
cPw长嚏如
、=
百_¨
:I‘I
32
34
36
38
40
,《G醌)
图4
GPw长度(目变化时St变化曲线
3.4耦台缝隙大小对天线性能的影响
图5与图6显示了耦合缝隙的大小变化时.岛】参数的变化情况。从中可以看出天线的谐振频率随着耦合宽度弭0的增加而降低,但随着耦合缝隙长度工。的增加而升高。从表4与表5可以看到,增益随耦台缝隙宽度的增加而减小,随耦合缝隙长度增加而增加;但是带宽却并非如此,带宽存
在极值。当毗取l
8mm,L。取1.4咖时,天线的带宽达
到最宽。此时馈窀部分与贴片上的电流分布如图7㈤所示,
贴片边沿的电流密度是最强的,且在接地板上电流密度最强的是与贴片相对应的地方。图7(b)为没有耦合缝隙。其他条件均与图7la)相同时的表面电流分布图。比较两图可以得到如下结论:耦台缝隙的存在改变了接地板上原有表面电流的分布+使之沿着耦合缝隙流动;当耦合缝隙与贴片的尺寸相接近时,能使整个贴片都能得到激发,此时的电磁耦合散率最高,天线带宽最宽。
0
0
一
{-鲫
雩_20
:
:
目Ⅻ
日Ⅻ
30
32
34那38帅
30
32
34蹦∞40频率(G№】
颠率(GH曲
塌台缝隙_宽度蜘+】8m∞+i幂合缝隙长度工B+l
4D皿
+I.&nm4Ⅱm
一2(km
’2.2Ⅲm
+lnmm
t16mm
+12mm—●I
8Ⅱ“
图5耦合缝隙宽度(ⅣI)图6耦合缝隙长度(¨
变化时且、变化曲线
变化时S-变化曲线
万
方数据a)有耦合缝隙时表血电流分布
(b)无耦合缝隙时表血电流分布图7
表4耦台缝豫宽度(矸,I)变化时增益特性裹
寰5耦台缝隙宽度(L)变化时增益特性表
3.5天线方向图
图8给出了天线的辐射方向图,H面最大辐射方向出现
在日=5。,毋=270。的地方,与天线所设计时的法向辐射相差5。角度,这是由于天线结构关于*z平面不对称而引起的CPw的终端并非位于碟形贴片的正下方。而是超出碟形贴片一定距离,这是阻抗匹配所要求的结果。且在口=140’,圣=90。处出现一个副瓣,这是因为cPw终端缝隙与开路缝隙产生辐射,导致此副瓣的出现。3.6仿真结果的验证
使用CST微波工作室对最终所得的天线进行了验证性仿真,圈9给出了使用csT与HFSS仿真S、圈。扶圈中可以看出,CST仿真结果的中心频率在35.7G丑量.比HFss仿真结果高了O.2GHz.相差约056%{驻波比1.5时的带宽为1.24GHz,比HFSS仿真结果大了0.02GH2,相差约1石4%。比较两曲线可知,CsT与HFSS的仿真结果基本相一致,这说明了仿真结果基本是正确的。
15
0
10一
5
号一20
、=0呵
510
303234363840
顿睾(cm)
圈8天线电场方向圈国9使用csT仿真的是图
4结束语
本文研究了一种工作在Ka波段的贴片天线,采用缝隙
第lO期顾东华等:cPw馈电缝隙耦合蝶形毫米波贴片天线
耦合的cPw馈电方式,此耦台缝隙位于接地板上,比传统的缝隙耦合的贴片天线少了一个金属层,使天线更易于与电路相集成。耦合缝隙的存在改变了接地扳上原有表面电流的分布.使电流沿着缝隙边缘流动,因此馈线与辐射源的电磁
耦合效率得到提高。使用Ans哦HFss对天线进行了优化
仿真.并得出一组最佳参数.此时天线的工作频率为35,5GHz,带宽为1.22G}王z。增益为6.38dB,并使用CST微波工作室对最终所得天线进行了验证性仿真,两个软件仿真结果相一致。
参考文献
【l】Vard柚VK,vi“0yK
J,柚d
JoseKA.RFMEMsaⅡd
T蛐App虹catjo埘JohⅡwih&s0粥,2003:343—3“.
【2】
郭陈江,丁君,许家栋一种特殊波束的8mm波导缝隙阵列天线电波科学学报,2004,19(2):233—236.
Gu0
ehe“1lBⅡg,D曲g
J11Ⅱ,叫dXuJ珏don昼A
8mm
Wavegujdes10tarray
Wi曲8pec“b哪.c7lI耻目£J帆m“计
砌出o&lm∞,2004,10(2):233-236.
131
张钧,刘克诚等,微带天线理论与工程.北京国防工业出版杜,1988年7月.2_3.
万
方数据Zh如gJ血蛆d“uKe_吐en91
et以Tb。0ry帅d脚叫{ng
of
Micr。st—pA砖eⅡ盥,B叫土n舀N3n£l。丑8lDelenceInd世奶r
Pre田.1088:2-3.
【4j
M酬dagh
Stev即衄dR且edtWDe,毗“CPW一鼬㈣ed
mi盯ostrip
衄tenn解.伍EF乃渊oⅡ
An£肌n甜
肌d
晰堆4舭执鸭2004,52(1):74—83.
H
A“gtIem
J血P排G,“娃.sm矗丑锄dh站蛐iⅥ锣
bow-tiepatch
aⅡteⅡ衄b&¥ed
on
the
sierpi蹦妇tBl.
埘cMⅫe∞d卿#c以%ch幽∞kt£∞200l,3l(3):
230—241.
『目
aperc㈣u—edRich盯d
Q
L牌衄d
sim咄N
R
eopl粕盯哪dde
microsh币p札h盐£eⅡn8,强髓腑c,口№醒
叽d伽dd矸k"ekt£e偈2004,2(4):138—139.
颇东华:
男.1982年生.硕士生。从事微小型MEMS天线的设计与研究
丁桂甫:男,1963年生,教授,醇士生导师,长荆从事射频MEMS器件设计和微细加工拄_术的研究.
陈伟强:
男,1982年生.硕士生,从事微小型MEMs天线的设计与研究
CPW馈电缝隙耦合蝶形毫米波贴片天线
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
顾东华, 丁桂甫, 陈伟强, 孙晓峰, 沈民谊, 黎滨洪, Gu Dong-hua, Ding Gui-fu, Chen Wei-qiang, Sun Xiao-feng, Shen Min-yi, Li Bin-hong
上海交通大学微纳科学技术研究院微米/纳米加工技术国家重点实验室薄膜与微细加工技术教育部重点实验室,上海,200030
电子与信息学报
JOURNAL OF ELECTRONICS & INFORMATION TECHNOLOGY2007,29(10)2次
参考文献(6条)
1. Varadan V K;Vinoy K J;Jose K A RF MEMS and Their Applications 2003
2. 郭陈江;丁君;许家栋 一种特殊波束的8mm波导缝隙阵列天线[期刊论文]-电波科学学报 2004(02)3. 张钧;刘克诚 微带天线理论与工程 1988
4. Mestdagh Steven;Raedt W De CPW-fed stacked microstrip antennas[外文期刊] 2004(01)
5. Anguera J;Puente C Small and high-directivity bow-tie patch antenna based on the Sierpinskifractal 2001(03)
6. Richard Q Lee;Simons N R Coplanar waveguide aperture-coupled microstrip path antenna 2004(04)
本文读者也读过(7条)
1. 顾东华. 丁桂甫. 孙晓峰. 沈民谊. 赵小林. GU Dong-hua. DING Gui-fu. SUN Xiao-feng. SHEN Min-yi. ZHAO Xiao-lin 共面波导馈电蝶形开口振子缝隙天线[期刊论文]-微波学报2007,23(1)2. 李红涛. 傅光 一种宽带蝶形印刷天线的研究[期刊论文]-电子科技2005(2)
3. 李长勇. 杨士中. 曹海林. 张承畅. LI Chang-yong. YANG Shi-zhong. CAO Hai-lin. ZHANG Cheng-chang 不同夹角V型蝶形天线性能比较[期刊论文]-重庆大学学报(自然科学版)2008,31(7)
4. 陈文俊. 黎滨洪. 谢涛. CHEN Wen-jun. LI Bin-hong. XIE Tao 蝶形微带天线谐振频率公式的修正及其应用[期刊论文]-上海交通大学学报2005,39(4)
5. 魏福显. 王春和. WEI Fu-xian. WANG Chun-he 电阻加载蝶形天线的性能研究[期刊论文]-物探与化探2006,30(5)6. 陈默. 田茂. Chen,Mo . Tian,Mao 蝶形天线的计算机仿真设计[期刊论文]-微计算机信息2006,22(4)
7. 鲁飞. 冯全源. Lu Fei. Feng Quanyuan 5.8 GHz RFID标签用共面波导蝶形缝隙天线的设计[期刊论文]-数据采集与处理2008,23(z1)
引证文献(2条)
1. 孙彩锋. 马重霄. 刘红梅 X波段共面波导结构串馈天线的设计[期刊论文]-无线电通信技术 2011(1)2. 陈建军. 宋学瑞. 曹宏徙 宽频带高增益RFID微带天线阵设计[期刊论文]-微型机与应用 2012(10)
引用本文格式:顾东华. 丁桂甫. 陈伟强. 孙晓峰. 沈民谊. 黎滨洪. Gu Dong-hua. Ding Gui-fu. Chen Wei-qiang. Sun Xiao-feng . Shen Min-yi. Li Bin-hong CPW馈电缝隙耦合蝶形毫米波贴片天线[期刊论文]-电子与信息学报2007(10)
第29卷第10期2007年10月
电子与信息学报
Journal0f
Vol29No,10
E1ectr叽i翻&IⅡ6珊ationTedmology
Oct.2007
CPW馈电缝隙耦合蝶形毫米波贴片天线
顾东华
丁桂甫
陈伟强
孙晓峰沈民谊黎滨洪
(上海史通大学微纳科学技术研究院微米/纳米加工技术国家重点实验室
薄膜与徽细加工技术教育部重点实验室上海200030)
摘要:该文研究了一种工作在Ka波段共面波导(CPw)馈电缝隙耦合的蝶形贴片天线。耦合缝隙位于接地板上,而不需要额外的缝隙耦台层,使天线更易与电路相集成。耦合缝隙的存在改变了接地板上原有表面电流的分布,使电流沿着缝隙边缘流动,因此馈线与辐射源的电磁耦合效率得到提高。用有限元分析软件(Ans0RHFsS)对衬底厚度、贴片角度、耦合缝隙大小等参数变化时的天线性能进行了仿真。比较并分析了吕。,增益等天线性能参数的变化规律.并在带宽最优的条件下给出了一组参数值,此时天线的工作频率为35.5GHz,带宽为1.22GHz,增
益为6。38d&
关键词:共面波导;蝶形天线;贴片天线;缝隙耦合中图分类号:TN823
文献标识码:A
文章编号:l呻9_5896(2007)10_2392.04
CPW.Fed
GuDon}hua
BoW-TieSlot.Coupled
Ding
MillimeterW打ePatchAnte眦a
Sun
Gu“u
ChenWbi-qiang
Xia0-‰g
Shen
Min-yiLiBin_hong
—o咖n耐风F上d幻rnfo删o,Ⅳ肌加觑瑚凡6砒“oⅡzkh02哟,胁分如6帆to删o,n讯只;m帆d心伽归辆∞“∞可
施n础w盯尉"∞tio%胁眺妇巧埘c巾叽d讹nD&≤阱∞nndz幻厅"口?唧,
鼢㈣9胁f^nDtD哪‰曲e恻吼肌帆9hf200030,∞讥叫
腑r扯t:AcPw・埘810t—coupled
the
millimeter
needfor
w啪(Ka
8
b蛆d)patch8IItenm
1ay盱.The
isdi8cus8ed.Thecouplitlg8lotis
ofthe
on
FoundplaⅡe,heⅡcethe弛iB
0n
no
couple日lot
cⅢeⅡtdi8tribution
theground
p岫,and
p瑚ence
coupling8lotdhang即the
thecurrentjs
guidedbythe8lot,也ecoupl.Ⅲgbetw∞nthefeedpan
andtIlerddiationpartis
eⅡh8Ⅱced.AⅡBo盘HFSS,ahIghfrequencystructuresi皿datioⅡsoRwareba8edoⅡFinite
ElementMethod(FEM),i8u8edt0蚴alyzetheante曲8pe哟rIn8nces.Vadati哪ofpara蹦erB8uch船:8u1)8tr艄ethickne帮,baw-tiepatch衄一e,c叫plings10tBize,甙c.8rediscu8sed.ABetofpar锄e细j8西vena此盯comparing
如d粕alyzing
the
8.蚰Ill砒i咖r恻止t8,蛐ch勰&l
aIld
ga.m0fthe
aⅡten眦.The8I】teⅡ∞works
atthecent盯
乩quencyof35.5GlIz,theb如dwidthi8l22GHz,andthe98iⅡi86.38dB.KeywWd8:CPW;Bow—tie舡吐ennB;Patch8ntenⅡa;CoupliⅡg8¨1引言
随着卫星通信的发展和无线电频道的日益拥挤,无线电技术向越来越短的毫米波、亚毫米波方向发震。毫米波介于微波和波光之间,因而兼有两者的优点;宽带宽,高分辨率,小尺寸,易小型化、集成化。因此毫米波技术在军事(雷达、
米波段遇到了新的困难.随着频率的提高,对加工精度的要求越来越高.传统的机械加工已经不能满足这种要求了,必须借助于新的高精度的加工技术。此外,辐射单元也必需重新设计。以满足毫米波系统小型化、集成化等要求。贴片天线是符合这一要求的形式之一,它具有体积小、重量轻、低剖面、增益高,便于与有源器件集成等优点例。而且贴片天线可趴使用MEMs微加工技术加工.加工精度能够得到保证。共面波导(CPw)除了保留微带线重量轻、剖面低、易于集成等优点外,还具有低损耗和色散小等优点,越来越受到研究人员的关注【tl。
本文研究了一种工作在KB波段的cPw馈电蝶形贴片天线,此辐射元结合了贴片天线和cPw传输线的优点。使
制导、电子对抗等)、通信、安全(汽车、直升飞机防撞系统)
等领域中有着广泛的应用。
在毫米波等无线通讯系统中,天线是连接内部电子系统
与外部环境的重要组件叭天线性能的优劣直接决定了毫米
波系统的分辨率、有效作用距离等主要性能参数。现代的雷达系统通常选用天线阵列来提高天线的性能.如目前雷达广泛使用的波导缝隙天线,采用在波导上开一系列缝隙,形成辐射缝隙阵来提高辐射性能吲。但是此类波导缝隙天线在毫
用有限元仿真软件(A咖赴HFss)对天线设计参数进行了仿
真优化a仿真结果表明,天线中心频率为355GHz,增益
6
38dB.驻波比1.5时带宽为1.22GHz,比传统的蝶形贴片
2006_03-06收到,2006_08_09改回
臣家部级基金和匡家自然科学基金(100377009)瓷助谋题
天线的带宽要宽m。
万方数据
第10期顾衷华等:cPw馈电缝隙耦合蝶形毫米波贴片天线
2天线设计
天线结构如图1所示,采用高致密、低损耗的氧化铝陶瓷基片。纯度为99.5%,Ka波段时.其损耗角t觚6为2×10_t;舟电常数为9.0,这样可以进一步减小辐射元的尺寸,
村底大小为10×10衄2。厚度为森。贴片部分采用图lf3)
所示的蝶形结构。贴片长为£。,宽I_10为4mm.贴片角度
为口,中间连接部分长度工为l衄。贴片与接地板形成一
个谐振腔,但是此谐振腔四周没有真正封闭,因此在开路边沿会产生辐射。该碟形贴片腔可看作由矩形贴片腔把两条x方向直线边沿改为矿形边沿而成,基本腔膜理论仍适用。两个最低模式为TMmo和TMl呻,用等效磁流原理分析计算它们的远区辐射场时.一般结论为:一对边沿的等效磁流(^f=一竹×占)是同向的,而另一对边沿的等效磁流是反向的。前者在贴片法向方向上叠加成主波束,获得较高的增益,后者在贴片法向方向相抵消形成零陷。在此,我们激励的主要是Thk,。模,由于辐射边沿为y形,按l,方向长度应为约~/2的原理,现在该长度在一定范围内是变化的,因此可以增加工作频带。
妇
口l
kD一知
卜—一”——一
(e)蝶形贴片
(b)cPw馈电部分
[:=量互]±
(讨无线剖面
图l天线结构示意图
蝶形贴片采用终端开路、缝隙耦台的CPw馈电,如图
1(b)所示。调节CPw的尺寸,使其特征阻抗为5帅,CPw长度为L。长为丘,宽为睨耦合缝隙位于贴片正下方,耦
台缝隙的作用是使整个贴片都受到激发,而不需要额外的缝隙耦台层阿,使其更易与电路相集成。这是由于存在耦合缝隙时,原先接地板上沿着CPw缝隙两岸流动的电流会沿着
耦合缝隙边缘流动.使CPw与辐射贴片间的电磁耦合得到
加强,耦台效率提高。耦合缝隙与cPw的缝隙的间距G
为0.1衄,这个距离不能过大,否则大部分电流仍沿着CPw
缝隙边缘流动,耦合缝隙没有起到应有的作用.使耦合效率降低。
万
方数据3仿真结果分析
用有限元仿真软件(AnsoftHFss),对这种CPw馈电的蝶形贴片天线进行了系统的仿真分析。为了得到此设计下最佳的辐射性能,研究了如下一些参数变化时天线辐射性能豹变化:衬底材料厚度缸CPw传输线长度L,耦合缝隙
宽度胁,耦台缝隙长度L和贴片角度a.主要分析了天线
的中心频率变化、带宽特性及增益变化。然后以带宽做为基准,选取最优的一组参数。图2至图6显示了各参数变化时S.变化曲线,表l至表3列出了各参数变化时35G}k时的
增益特性。对每组参数,其他参数分别设为:括0.6衄,
L=7.5mm,M=1.8mm,L=1.4mm,D=O.7,这些参
数值是大量仿真分折后得出的结果。并使用CST微波工作室对最终所得天线进行了验证性仿真,两个软件仿真结果相一致,这说明了仿真结果是正确的。3.1衬底厚度对天线性能的影响
图2显示了树底厚度变化时,焉。的变化曲线。从图中可以看出,当厚度增加时天线的谐振频率降低。这是由于厚度增加时,衬底的有效介电常数增加,有效介质波长减小,使天线的电尺寸增加,天线的谐振频率也相应降低来保持谐振时的电尺寸不变。天线的带宽在^;0
6蛐时达到最宽为
1.22G}Iz,中心频率为35.5G}Iz,此时增益也较高,为
6.38dB。
3.2贴片角度对天线性能的影响
国3显示了贴片角度。变化时S,的变化曲线,可以看到当贴片角度变大时天线的谐振频率降低。因为贴片的总宽
矸0固定为4蛐,贴片边沿长度L随△的增加而增加,天
线尺寸变大.所以谐振频率随之而减小。选择带宽最宽增益较好的口=0.7作为角度的最优参数。
00
一
曼_知
一
%Ⅷ
盲Ⅻ
:
酊Ⅻ
30
32就36
3s
4。
30
3234豁38鲫
频率(GH习村底厚度^—..O+06m
额率(GHz)
贴片角度口
+07
+04口m+07mm+06_-0+0755mm—.-08mm
65—+08
图2村底厚度(帕变化时
图3贴片角度(口)变化时
岛t变化曲线
品,变化曲线
寰l村底厚度(岣变化增益特性表
签垦璺堡f!坚!
!:!!:!!:!!一!!:!
望蕉li里
!:!:
!:竺
!:翌!:!!!:丝
’
2394
电子与信息学报
第29卷
表5
cPw长度(工0变化时增益特性表
竺£型量堡i些生!:i
!:!
!i
!:垒
擅童塑璺
!.翌!:!!!:塑!:翌
3.3
cPW长度对天线性能的影响
圈4显示了GPw馈电长度变化对St的变化情况,可
以看到当CPw长度变化时,谐振频率变化不太,但是反射损耗变化很大,致使带宽变化较大。当cPw长度较短时.贴片的前半部分与馈线间的耦合不够,因而天线整体的电磁耦合效率低,回波损耗较大;而当cPw过长时,会激励起表面波。使天线的散率降低,所以三。为7.5mm时,带宽达到最大值。
0
2Ⅲ
^
cPw长嚏如
、=
百_¨
:I‘I
32
34
36
38
40
,《G醌)
图4
GPw长度(目变化时St变化曲线
3.4耦台缝隙大小对天线性能的影响
图5与图6显示了耦合缝隙的大小变化时.岛】参数的变化情况。从中可以看出天线的谐振频率随着耦合宽度弭0的增加而降低,但随着耦合缝隙长度工。的增加而升高。从表4与表5可以看到,增益随耦台缝隙宽度的增加而减小,随耦合缝隙长度增加而增加;但是带宽却并非如此,带宽存
在极值。当毗取l
8mm,L。取1.4咖时,天线的带宽达
到最宽。此时馈窀部分与贴片上的电流分布如图7㈤所示,
贴片边沿的电流密度是最强的,且在接地板上电流密度最强的是与贴片相对应的地方。图7(b)为没有耦合缝隙。其他条件均与图7la)相同时的表面电流分布图。比较两图可以得到如下结论:耦台缝隙的存在改变了接地板上原有表面电流的分布+使之沿着耦合缝隙流动;当耦合缝隙与贴片的尺寸相接近时,能使整个贴片都能得到激发,此时的电磁耦合散率最高,天线带宽最宽。
0
0
一
{-鲫
雩_20
:
:
目Ⅻ
日Ⅻ
30
32
34那38帅
30
32
34蹦∞40频率(G№】
颠率(GH曲
塌台缝隙_宽度蜘+】8m∞+i幂合缝隙长度工B+l
4D皿
+I.&nm4Ⅱm
一2(km
’2.2Ⅲm
+lnmm
t16mm
+12mm—●I
8Ⅱ“
图5耦合缝隙宽度(ⅣI)图6耦合缝隙长度(¨
变化时且、变化曲线
变化时S-变化曲线
万
方数据a)有耦合缝隙时表血电流分布
(b)无耦合缝隙时表血电流分布图7
表4耦台缝豫宽度(矸,I)变化时增益特性裹
寰5耦台缝隙宽度(L)变化时增益特性表
3.5天线方向图
图8给出了天线的辐射方向图,H面最大辐射方向出现
在日=5。,毋=270。的地方,与天线所设计时的法向辐射相差5。角度,这是由于天线结构关于*z平面不对称而引起的CPw的终端并非位于碟形贴片的正下方。而是超出碟形贴片一定距离,这是阻抗匹配所要求的结果。且在口=140’,圣=90。处出现一个副瓣,这是因为cPw终端缝隙与开路缝隙产生辐射,导致此副瓣的出现。3.6仿真结果的验证
使用CST微波工作室对最终所得的天线进行了验证性仿真,圈9给出了使用csT与HFSS仿真S、圈。扶圈中可以看出,CST仿真结果的中心频率在35.7G丑量.比HFss仿真结果高了O.2GHz.相差约056%{驻波比1.5时的带宽为1.24GHz,比HFSS仿真结果大了0.02GH2,相差约1石4%。比较两曲线可知,CsT与HFSS的仿真结果基本相一致,这说明了仿真结果基本是正确的。
15
0
10一
5
号一20
、=0呵
510
303234363840
顿睾(cm)
圈8天线电场方向圈国9使用csT仿真的是图
4结束语
本文研究了一种工作在Ka波段的贴片天线,采用缝隙
第lO期顾东华等:cPw馈电缝隙耦合蝶形毫米波贴片天线
耦合的cPw馈电方式,此耦台缝隙位于接地板上,比传统的缝隙耦合的贴片天线少了一个金属层,使天线更易于与电路相集成。耦合缝隙的存在改变了接地扳上原有表面电流的分布.使电流沿着缝隙边缘流动,因此馈线与辐射源的电磁
耦合效率得到提高。使用Ans哦HFss对天线进行了优化
仿真.并得出一组最佳参数.此时天线的工作频率为35,5GHz,带宽为1.22G}王z。增益为6.38dB,并使用CST微波工作室对最终所得天线进行了验证性仿真,两个软件仿真结果相一致。
参考文献
【l】Vard柚VK,vi“0yK
J,柚d
JoseKA.RFMEMsaⅡd
T蛐App虹catjo埘JohⅡwih&s0粥,2003:343—3“.
【2】
郭陈江,丁君,许家栋一种特殊波束的8mm波导缝隙阵列天线电波科学学报,2004,19(2):233—236.
Gu0
ehe“1lBⅡg,D曲g
J11Ⅱ,叫dXuJ珏don昼A
8mm
Wavegujdes10tarray
Wi曲8pec“b哪.c7lI耻目£J帆m“计
砌出o&lm∞,2004,10(2):233-236.
131
张钧,刘克诚等,微带天线理论与工程.北京国防工业出版杜,1988年7月.2_3.
万
方数据Zh如gJ血蛆d“uKe_吐en91
et以Tb。0ry帅d脚叫{ng
of
Micr。st—pA砖eⅡ盥,B叫土n舀N3n£l。丑8lDelenceInd世奶r
Pre田.1088:2-3.
【4j
M酬dagh
Stev即衄dR且edtWDe,毗“CPW一鼬㈣ed
mi盯ostrip
衄tenn解.伍EF乃渊oⅡ
An£肌n甜
肌d
晰堆4舭执鸭2004,52(1):74—83.
H
A“gtIem
J血P排G,“娃.sm矗丑锄dh站蛐iⅥ锣
bow-tiepatch
aⅡteⅡ衄b&¥ed
on
the
sierpi蹦妇tBl.
埘cMⅫe∞d卿#c以%ch幽∞kt£∞200l,3l(3):
230—241.
『目
aperc㈣u—edRich盯d
Q
L牌衄d
sim咄N
R
eopl粕盯哪dde
microsh币p札h盐£eⅡn8,强髓腑c,口№醒
叽d伽dd矸k"ekt£e偈2004,2(4):138—139.
颇东华:
男.1982年生.硕士生。从事微小型MEMS天线的设计与研究
丁桂甫:男,1963年生,教授,醇士生导师,长荆从事射频MEMS器件设计和微细加工拄_术的研究.
陈伟强:
男,1982年生.硕士生,从事微小型MEMs天线的设计与研究
CPW馈电缝隙耦合蝶形毫米波贴片天线
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
顾东华, 丁桂甫, 陈伟强, 孙晓峰, 沈民谊, 黎滨洪, Gu Dong-hua, Ding Gui-fu, Chen Wei-qiang, Sun Xiao-feng, Shen Min-yi, Li Bin-hong
上海交通大学微纳科学技术研究院微米/纳米加工技术国家重点实验室薄膜与微细加工技术教育部重点实验室,上海,200030
电子与信息学报
JOURNAL OF ELECTRONICS & INFORMATION TECHNOLOGY2007,29(10)2次
参考文献(6条)
1. Varadan V K;Vinoy K J;Jose K A RF MEMS and Their Applications 2003
2. 郭陈江;丁君;许家栋 一种特殊波束的8mm波导缝隙阵列天线[期刊论文]-电波科学学报 2004(02)3. 张钧;刘克诚 微带天线理论与工程 1988
4. Mestdagh Steven;Raedt W De CPW-fed stacked microstrip antennas[外文期刊] 2004(01)
5. Anguera J;Puente C Small and high-directivity bow-tie patch antenna based on the Sierpinskifractal 2001(03)
6. Richard Q Lee;Simons N R Coplanar waveguide aperture-coupled microstrip path antenna 2004(04)
本文读者也读过(7条)
1. 顾东华. 丁桂甫. 孙晓峰. 沈民谊. 赵小林. GU Dong-hua. DING Gui-fu. SUN Xiao-feng. SHEN Min-yi. ZHAO Xiao-lin 共面波导馈电蝶形开口振子缝隙天线[期刊论文]-微波学报2007,23(1)2. 李红涛. 傅光 一种宽带蝶形印刷天线的研究[期刊论文]-电子科技2005(2)
3. 李长勇. 杨士中. 曹海林. 张承畅. LI Chang-yong. YANG Shi-zhong. CAO Hai-lin. ZHANG Cheng-chang 不同夹角V型蝶形天线性能比较[期刊论文]-重庆大学学报(自然科学版)2008,31(7)
4. 陈文俊. 黎滨洪. 谢涛. CHEN Wen-jun. LI Bin-hong. XIE Tao 蝶形微带天线谐振频率公式的修正及其应用[期刊论文]-上海交通大学学报2005,39(4)
5. 魏福显. 王春和. WEI Fu-xian. WANG Chun-he 电阻加载蝶形天线的性能研究[期刊论文]-物探与化探2006,30(5)6. 陈默. 田茂. Chen,Mo . Tian,Mao 蝶形天线的计算机仿真设计[期刊论文]-微计算机信息2006,22(4)
7. 鲁飞. 冯全源. Lu Fei. Feng Quanyuan 5.8 GHz RFID标签用共面波导蝶形缝隙天线的设计[期刊论文]-数据采集与处理2008,23(z1)
引证文献(2条)
1. 孙彩锋. 马重霄. 刘红梅 X波段共面波导结构串馈天线的设计[期刊论文]-无线电通信技术 2011(1)2. 陈建军. 宋学瑞. 曹宏徙 宽频带高增益RFID微带天线阵设计[期刊论文]-微型机与应用 2012(10)
引用本文格式:顾东华. 丁桂甫. 陈伟强. 孙晓峰. 沈民谊. 黎滨洪. Gu Dong-hua. Ding Gui-fu. Chen Wei-qiang. Sun Xiao-feng . Shen Min-yi. Li Bin-hong CPW馈电缝隙耦合蝶形毫米波贴片天线[期刊论文]-电子与信息学报2007(10)