新型超宽带宽波束圆极化天线

第39卷第5期 2OO7年5月 哈尔滨工业大学学报 JOURNAL0FHARBINlNS汀lTUTE0FTECHNOLOGY V01．39No．5 Mav2007 新型超宽带宽波束圆极化天线 钟玲玲，邱景辉，白文静，王楠楠 (哈尔滨丁业大学电子与信息技术研究院，哈尔滨150001，E—m8il：zhon翊ingling@hit。edu．cn) 摘 要：简单介绍了平板圆片单极天线．提出了一种新型的组合单极天线形式，这种天线将四个圆片单极 子垂直交叉放置，不仅依然能够在很宽的频带上满足反射损耗的要求，而且该天线具有较宽的波束和波束范 围内有较好的圆极化性能等特点．对这种新型天线进行了分析，给出了天线的设计方法，研究了其超宽带性 能，详尽讨论了天线的反射损耗、辐射方向图、轴比图，以及增益和群延时特性。分析结果验证了其在实现宽 波束圆极化的同时具有良好的超宽带性能．这种新型小型化天线在无线通信、卫星通信和移动通信中具有良 好的应用前景． 关键词：超宽带；圆片单极天线；宽波束；圆极化 中图分类号：TN82 文献标识码：A 文章编号：0367—6234(2007)05一0742—03 NoVelultrawide-bandwidebeamcirclIlarpolarizationantenna ZHONGLing一1ing，QIUJing—hui，BAIWen—jing，WANGNan-nan (Dept．ElectmnicsandCom舢nicationEngineering，HarbinInstituteofTechnolog)r，Harbin15000l，China， E—mail：zhon西ingling@hit．edu．cn) Abstract：Anovelantennaisproposed．Foureirculardiscmonopolesareplacedacrosseachother．Theim- provedantennaisnotonlyfavorableforsatisfyingultrawide-bandretumlossrequirementbutalsoadVantageous inreaIizingthewidebeamsandgoodcircularpola“zationped’o咖ancewithinthebeams．Analysesareconduc— tedtodetemlinethenovelantennas’properties．Theretumloss，radiationpattems，axi出ratio，gainandthe timedomainperfonnanceoftheantennasarediscusseddetailedly．TheanalyticresultsverifythatthenoveI circulardiscmonopoleultr{l、vide．bandantennahasIeliableultrawide—bandpeIfo珊anceduringrealizingwide beamandcircularpolarization．Thenovelantennaproposedinthispaperissuitablefbrthewireless，satelhte andmobilecommunicationsystemswithgoodpmspects． Keywords：ultrawide—band(UWB)；circulardiscmon叩oleantenna；wide—beam；circularpolarized 近年来，单极天线是超宽带天线的研究热点， 它具有制作简单、加工方便、成本低廉、体积小、质 量轻等诸多优点¨一引．这种天线虽然能够覆盖无 线终端的全部所需频段，在很宽的阻抗带宽上能 提供令人满意的辐射性能，但是它不能实现圆极 化，而且在俯仰面的方向图不能实现宽波束辐射 和接收，因而限制了其在某些特殊场合的应用． 为了展宽波束范围并实现圆极化，本文研究 了一种新型的超宽带天线，将4个圆片单极子垂 直交叉放置．研究了其阻抗特性和辐射特性，由数 收稿日期：2007—03一12． 作者简介：钟玲玲(1980一)，女，博十研究生 值结果和理论分析得出了天线的基本结构参数， 并对于群延时进行了仿真．结果证明，这种天线在 保持单极天线良好宽频带性能的同时实现了宽波 束圆极化，且结构简单，易于加工． 1 超宽带圆片单极天线 1．1天线基本结构 超宽带圆片单极天线由一块地板和垂直于地 板的圆盘金属片组成，馈电点为圆片的下端点与 地板的正中心．制作天线的材料可以选择厚度 1 mm左右的铜板或铁板，切割成半径为r的圆． 1．2 圆片单极天线下限频率的确定 超宽带天线最重要的特性就是其阻抗带宽． 万方数据 第5期 钟玲玲，等：瓶型超宽带宽波束圆极化天线 从理论上可以将半径为r的平面圆片单极结构近 似等效为高Z半径口的短圆柱振子．其下限频率的 确定方法是，将圆面积等效为短圆柱振子的表面 积，将圆片高度2r等效为短圆柱振子的高度Z，即 耵r2=21ToZ，2r=Z，短圆柱振子的高度f与波长的 对应关系为⋯J Z=0．24AF． (1) 其中：F=(￡／。)／(1+(Z／8))． 则圆片单极子的最低谐振频率为 ，=3．2／r． (2) 综合上述理论，对天线进行了仿真设计和分 析．采用基于时域有限积分法的专业仿真软件 CST—MicrowaveStudio进行仿真分析．得出了最 低谐振频率4GHz的圆片单极子天线性能最优结 构参数：辐射单极子半径r=8mm；反射板厚度 d，=1mm，辐射单极子厚度d：=1mm．以此为 基础，提出了以下改进的新型超宽带圆片单极 天线． 2新型超宽带天线 2．1天线基本结构 保持圆片单极天线的基本圆片结构不变，将 4个圆片单极子垂直交叉放置，共用一块圆形反 射板．相对的两个圆片为一组，在距离最近点采用 50Q同轴线馈电，为实现圆极化特性，馈电时两 组圆片有90。的相移，为减小因结构过于复杂引 起的误差，仿真时采用离散源馈电．如图l所示， 圆片单极子半径仍然为r，相对的两个单极子间 距为^，反射板半径为R，单极子与反射板距离为 f，反射板厚度为d。，辐射单极子厚度为d：． 应用csT对该天线的参数进行了仿真调整 和分析，得出了新型超宽带宽波束圆极化天线的 性能最优结构参数：r=5．75mm，^=1mm， 尺=44mm，f=17mm，d1=1mm，d2=1mm． (a)天线模型(b)正视图(c)俯视图 图l新型超宽带天线 2．2天线的反射损耗特性分析 图2给出了该新型超宽带天线的反射损耗 s¨随频率变化．可以看出，在4～15GHz，天线的 反射损耗均<一10dB．表明新型超宽带天线反射 性能较好，可以达到约4个倍频程的阻抗带宽． ／／6H2 图2新型超宽带天线反射损耗的仿真结果 2．3辐射方向图和增益 图3(a)为该新型超宽带天线在4～7GHz时 俯仰面方向图的仿真结果．在．厂=4—6GHz时， 3dB波束宽度>70。，3个频率上最大增益分别为 8．1、8．1、5．7dB．当频率上升到7GHz，z轴方向增 益出现了凹陷，其较小的幅度约为5dB．本文设计 的新型超宽带天线弥补了圆片单极子俯仰面不能 实现宽波束辐射和接收的缺点，在波束宽度内都有 较高的增益，可以满足某些特殊场合的需要． 从图3(b)可以看出，当频率在3～20GHz， 其最大增益范围约为5．3—9．6dB，变化幅度在 5dB以内；在5～17GHz范围内，增益稳定在6dB 左右，上下浮动不超过1dB，最大增益在整个频 带内具有良好的稳定性． 27 蘸 _式权 睁穴 黔： 蠼燮21矿N二名。 180 (a)方向图 GHz GHz GHz GHz ／／GHz · (b)增益 图3新型超宽带天线的辐射方向图和增益 2．4轴比 图4为该新型超宽带天线在4～8GHz时轴 比图的仿真结果．可以看出，在4～7GHz频段， 万方数据 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 哈尔滨工业大学学报 第39卷 3dB波束宽度内轴比<2dB，在8GHz以上，z轴 方向轴比出现了凹陷．说明此新型天线在4～ 7GHz、宽波束范围内能实现优良的圆极化特型． 惩辫 蠖裂 GH2 GH2 GH2 CH2 GH2 图4新型超宽带天线的轴比图 2．5时域特性 理论上，不同的频率分量在同一介质中传输 时，到达的时问不同，这是由于传输系统的分布参 数引起的．就单一波形而言，基波与多次谐波到达 的时间不同，造成波形的后延性失真，在图像表现 上为“拖尾”。这在工程中很常见．平坦的群延时 表明所有频率被延迟了相同的时间，有利于信号 波形的保持．图5为该天线的群延时在3— 20GHz内的变化情况．在4．65GHz时，群延时有 约2ns的突起，其他频率上群延时均在0ns左 右，在整个频带内，群延时较为平坦，保证了这种 圆片单极天线脉冲失真小，时域特性良好，能够无 失真地辐射和接收时域短脉冲信号． ／／GH2 图5 新型超宽带天线的群延时变化 3 结 论 1)超宽带圆片组合单极天线具有很宽的频 带宽度，在4～15GHz，反射损耗均<一10dB，阻 抗特性良好． 2)该天线在俯仰面具有较宽波束(3dB波束 宽度>70。)，同时在波束范围内有较好的圆极化 性能(轴比<2dB)．可以显著地展宽天线波束， 且具有成本低、体积小、质量轻、结构简单等特 点，适用于卫星通信和移动通信等通信系统． 参考文献： [1]cHENzhining，wuxuanhui，uHuifeng，e￡nf．con— siderationsforsourcepulsesandantennasinUWBradio systems[J]．IEEETransAntennasPmpag，2004，52 (7)：1739一1748． [2]P0wElJ—J．AntennadesignforultrawidebandRadio [D]．[s．I．]：Elect^calEn西nee订ng，NewMexico StateUniversity。2004． [3]FccReponand0rderforPan15．Acceptanceofultra wideband(uwB)systemsfrom3．1—10．6GHz[R]． Washin殍on，DC：FCC，2002． [4]AGBAwALLN，KuMARG，RAYKP．wide—Rand planarH10nopoleantennas[J]．IEEETrans．Antennas Propag．，1998。46(2)：294—295． [5]AMMANNMJ，cHENzN．widebandmonopoleanten— nasf曲multi—bandwirelesssystem§[J]．IEEEAnten— nasPmpag．Mag．，2003，45(2)：146—150． [6]LIANGJianxin，cHoOc，cHENxiaodong，“Ⅱ正 study0faprintedcirculardiscmonop01eantennafor uWBsyslems[J]。IEEETmns．AnlennasPropag．， 2005，53(11)：3500一3504． [7]sC卜L州TzH．Boto咖‘耐planareJliplic越uwBan￡ennas 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