為解決窄頻帶問題:設計寬頻帶E型微帶天線並進行分析

2021-01-03 電子發燒友
打開APP
為解決窄頻帶問題：設計寬頻帶E型微帶天線並進行分析

發表於 2019-03-19 10:54:07

微帶天線具有體積小、重量輕、易饋電、易與載體共形等優點，廣泛直用於測量和通信各個領域。但是，微帶天線的窄頻帶特性在很多方面限制了它的廣泛應用，因此展寬微帶天線的帶寬具有十分重要的意義。

近年來，人們在展寬微帶天線的帶寬方面做了很多的研究：增大基板厚度，降低介電常數;採用電磁耦合多諧振來擴展帶寬的方式，採用縫隙耦合饋電的方式，採用多層結構。

本文在對上述各種展寬帶寬技術的比較研究之後，通過在U型微帶天線中間加一段傳輸線構成新型的E型微帶天線，實現了天線阻抗頻帶的展寬。利用HFSS模擬仿真以及實測結果表明，這種天線在工作於4.25～5.366 GHz時，其相對帶寬達到了23.2%，且採用了傳統的同軸饋電，結構簡單，易加工。

1 天線設計與分析

微帶天線的結構如圖1所示：

貼片的長為L，寬為W，饋電點位置為(P_x，P_y)，U_l和U_w為U型天線尺寸，U型天線中間增加的微帶線的長度和寬度分別為E_l和E_w，微帶天線離地面的高度為H。當E_l為零時即為U型天線，E_l不為零時為E型天線。

天線採用傳統的同軸饋電方式。天線與地面之間採用空氣為介質，減少採用高介電常數介質帶來的損耗，同時呵達到增加頻帶寬度的目的。

從圖2、3可知，隨著E_l的增大，高頻諧振頻率點變小，在E_l=14.5 mm時候高頻諧振點獲得較好的匹配，當E_l繼續增大時候匹配變差。
隨著E_l的增大，高頻諧振頻率點變小曲線

由圖4可得，隨著E_w增大，低頻諧振點匹配變差，而高頻諧振點匹配變好。通過調節中間傳輸線的長度E_l和寬度E_w可獲得兩個匹配較好的諧振頻率點。

如圖4可得，隨著P_y的值增大，天線匹配越好，但是天線工作頻帶變小。通過調節P_y值，可獲得最佳的天線匹配和頻帶的展寬。
不同P_y的Sn曲線

2 仿真與實測結果分析

經過多次仿真優化後得出E型微帶天線的具體尺寸，表1為U型天線和E型天線的尺寸(單位：mm)。根據表中參量的值
U型天線和E型天線的尺寸

採用HFSS對本文所設計的微帶天線進行仿真，仿真結果如圖5～圖7所示。

圖5是U型微帶天線和E型微帶天線的回波損耗曲線圖。
U型微帶天線和E型微帶天線的回波損耗曲線圖

由圖可得，U型天線S11小於-10 dB的頻率從4.715～5.035 GHz，中心頻率為4.875GHz，頻帶寬度BW=0.32 GHz，相對帶寬為6.5%;E型天線S11小於-10 dB的頻率從4.25～5.364 GHz，中心頻率為4.807 GHz，頻帶寬度BW=1.114 GHz，相對帶寬為23.2%，相對於U型天線帶寬展寬3.5倍。因此，在U型天線中間加入傳輸線可以有效展寬帶寬。

圖6，圖7是E型天線在兩諧振點的E面和H面方向圖。
        E型天線在兩諧振點的E面和H面方向圖

由圖可得，微帶天線的最大增益達到9 dB，較之傳統的微帶天線增益(5 dB)有較大的增加。

圖8為E型天線加工的實物圖。圖9為用AgikntE5071C網絡分析儀測試E型天線的S11曲線，實測S11小於-10 dB的頻帶為4.09～5.06GHz。
          E型天線加工的實物圖

由於加工粗糙和饋電埠誤差導致對天線頻移和帶寬的減小，但和仿真的結果相近。

3 結語

針對做帶天線窄帶的特性，本文提出了一種有效展寬微帶天線頻帶的方法。通過在U型微帶天線中間加一段傳輸線，適當調整同軸饋電點和傳輸線的長寬，實現了寬頻帶高增益的E型微帶天線的設計。天線工作在4.25～5.366 GHz頻帶內，且增益達到了9 dB，相對帶寬達到23%，可運用於IEEE 802.1 1 a(5 GHz)頻段的無線區域網。本文給出了實測結果，並與仿真結果一致。

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴

相關焦點

  • 雙層寬頻微帶天線的設計
    摘要：微帶天線的窄頻帶特性是限制其廣泛應用的重要原因之一，因此，如何展寬微帶天線的帶寬的問題一直受到研究人員的關注。通過採用雙層多貼片及在兩貼片之間加入空氣層的結構來達到增加微帶天線帶寬的目的。
  • 一種寬頻帶微帶陣列天線
    為了適應這些要求,微波領域的工作者發明創造了很多形式的微帶天線，從理論上詳細分析了一種頻帶比較寬，同時把天線罩作為天線的一部分集成在一起的，具有良好密閉性能的微帶天線形式。本文介紹在此理論基礎上設計的一種寬頻帶微帶陣列天線。
  • 帶空氣層的寬帶微帶天線的分析與設計
    1引言微帶天線，作為20世紀70年代研究成功的一種新型天線，以其結構簡單、重量輕、低剖面、易於與飛行器表面共形安裝和可與微帶電路集成等優點，在移動通信、航空航天、電子對抗及雷達等領域得到了廣泛的應用。但微帶天線也因其增益低、頻帶窄（通常帶寬只有（0.7%—7%）等缺陷限制了它的應用範圍。
  • 一種寬帶雙圓極化微帶天線
    為了讓微帶天線具有寬頻帶特性，在微帶天線設計中相繼採用了許多新的設計方法，如縫隙耦合饋電技術、採用探針耦合饋電技術、採用多層輻射元技術等。雖然採用寄生單元、層疊輻射單元等方法可以使微帶天線具有較寬的頻帶特性，但這種形式的微帶天線存在尺寸過大、容易激勵起高次模導致極化不純、結構複雜導致可靠性不高等缺點。
  • 寬頻帶低噪聲放大器的設計方案
    因此在寬頻帶接收系統領域，寬頻帶低噪聲放大器的設計將具有非常廣闊的市場前景。各種低噪聲器件的功率增益都是隨著頻率的升高而降低，以每倍頻程大約3~5 dB規律下降。為獲得較寬又較平坦的頻響特性，就必須對增益滾降進行補償。可是有意降低低頻段的增益必然使輸入、輸出駐波比變壞，同時噪聲係數也將變大。但是對於寬頻帶低噪聲放大器來說，一般不可能使用隔離器來改善駐波比。
  • 915 MHz的微帶天線,基於RFID的小型天線
    隨著RFID技術的發展，對天線的尺寸要求越來越高，微帶天線尺寸小，性能優越，因此，國內外學者對其的小型化，寬頻，高增益等技術進行了大量細緻而深入的研究。但天線尺寸上的變化對天線性能影響巨大，天線性能會隨自身尺寸的減小而變差，因此作為設計者，要在天線的各項參數中權衡最優方案，以達到設計目的。
  • 生長環陣列超寬頻帶天線設計
    結構 和生長環陣列結合，設計了一款超寬頻帶天線。在 天線設計中使用方形角缺陷分形結構，可以讓天線輻射 貼片內部有均勻分布的射頻電流，保證天線有良好的超 寬頻帶工作能力。方形角缺陷分形天線是在尺寸為1.6 mm×1.6 mm的矩形區域進行方形角缺陷分形迭代而得到。方形角缺 陷分形天線使用了2階的方形角缺陷分形結構。每個方 形角缺陷分形天線的底部邊沿中心處設有天線饋電點。
  • 一種非輻射邊饋電的寬帶雙層微帶貼片天線 詳細教程講解
    特別是近年來SAR（合成孔徑雷達）技術的快速發展，人們對微帶天線提出了越來越高的要求，希望在一個天線上能同時獲得寬頻帶、大掃描角、高效率、低交叉極化的性能，並且具有饋電簡單、易與饋電系統集成等多方面的優點。
  • 天線實現多頻的方法和RFID雙頻微帶天線仿真與設計
    ∫)/(∫0) ，對於寬頻帶天線通常用表示帶寬(∫max)/(∫min)。 3. 天線多頻的實現方法 3.1 天線多頻的實現方法 傳統的射頻識別天線一般工作在單一頻段，而多頻讀寫器天線可以同時讀取多個頻段的標籤。
  • 微帶天線的應用與分類
    各種新形式新性能的微帶天線不斷出現，並廣泛應用於衛星通信、導航遙測遙控、武器引信等軍事領域以及現代移動通信、個人通信、醫療器件、環境保護、等民用領域。 　　微帶天線分析模型 　　目前為了更準確地求得其輻射特性，已經出現了多種物理模型來模擬微帶天線。但不管是哪種理論分析法，它們都是在求特定邊界條件下的麥克斯韋方程組，只是處理特定邊界條件的方法不同，推導過程中的具體解法不同。
  • 陣列天線的特性研究及典型案例設計方案匯總
    波導饋電微帶共形天線陣設計 本文利用波導微帶混合饋電方式設計了Ku波段微帶共形陣列天線，串饋微帶線陣與圓柱面共形，波導網絡通過對稱雙縫耦合對微帶線陣激勵，對稱耦合雙縫的採用有效抑制了耦合縫的輻射 平板端射天線陣饋電特性的研究 針對相控陣平板端射天線，本文主要做了有關天線單元耦合情況分析的研究，採用了計算仿真與實驗測試相結合的方式，在軸向排列，橫向排列，周邊排列三種不同角度上逐次分析陣中單元的輻射特性變化以及耦合影響的原因，通過實際測試的結果進行對比，驗證了計算仿真結果的正確性，同時也發現了一些不如預期的問題。
  • Ku / Ka雙頻共孔徑微帶陣列天線設計
    本文提出的共孔徑天線由Ku頻段十字形微帶縫隙和Ka頻段方形微帶貼片組成。Ku頻段十字縫隙置於Ka頻段貼片單元的下方空隙處，縫隙長度可以調節，因此能適用於一定範圍的頻率比。下文將詳細介紹這種天線的設計、結構和仿真結果，以及設計中遇到的問題和解決辦法。
  • Vivaldi寬帶雙極化探頭天線
    但是，雙極化探頭要求探頭天線具備低交叉極化、寬頻帶特性以及小的口徑尺寸。為實現這些特性，該類探頭設計難度大，設計成本高。　　Vivaldi天線是一種超寬帶天線，該天線通過微帶饋電，其小型化的研究資料較多，目前廣泛應用於衛星通信、遙感和射電望遠鏡等領域，本文採用Vivaldi天線設計寬帶雙極化天線，可實現覆蓋400MHz-6000MHz這一超寬頻帶的覆蓋，適用於近場天線測量。
  • 高隔離度雙極化微帶天線的設計
    1引言微帶天線由於具有體積小，重量輕，低剖面，易於加工以及與有源器件及電路集成等諸多有點，在通信，雷達等方面得到廣泛的應用。另外，頻譜資源日益緊張現代衛星通信領域迫切需要天線具有雙極化功能，因為雙極化可使它的通信容量增加一倍。雙極化技術的應用通常要求低交叉極化電平和高隔離度。
  • 24GHz微帶陣列天線設計技巧
    筆者使用RogersRO4350B成功地設計了一系列24GHz微帶陣列天線，均已應用於公司上市產品，因此就其應用總結了一些設計技巧。　　厚度選擇　　主要綜合微帶天線工作帶寬、饋電網絡設計以及天線效率三個因素選擇厚度。第一，PCB厚度影響微帶天線阻抗帶寬，PCB厚度越小，陣列規模越大，則天線工作帶寬越小。
  • 缺陷地結構在微帶天線間互耦抑制中的運用詳細講解
    這種方法雖然可以提高天線的輻射效率，但要在介質中周期性的打孔，製作過程麻煩，而在地板上大量蝕刻周期圖案將導致天線的放置受到限制。則利用電磁帶隙材料 （EBG）的帶隙特性抑制表面波的傳播，降低天線互耦。EBG結構是由若干個單元組成的陣列構成，因此結構分析比較複雜。
  • 用於無人機高度測量的毫米波雷達微帶天線的設計與實現
    「射頻電路」是「高頻電子線路」、「微波技術」等課程的後續課程，它作為通信工程、電子工程、電波傳播與天線等專業的主幹課程，其目的是讓學生通過理論學習和實踐，能夠掌握相關的基本原理和系統知識，培養具有射頻電路設計、系統分析和創新能力的微波射頻專業人才 。
  • 開關櫃局部放電超高頻在線監測天線的研究
    南京工程學院電力工程學院、國網江蘇省電力有限公司鎮江供電分公司的研究人員陳磊、唐建、王智睿，在2019年第5期《電氣技術》雜誌上撰文，針對高壓開關櫃局部放電超高頻檢測天線應具有寬頻帶、高增益、小尺寸的性能要求，引入Koch分形結構和空氣層理論，設計出了一種新型的Koch分形微帶天線。
  • 基於改進型中和線的MIMO天線設計
    文獻[11]提出的超寬帶MIMO天線通過引進寬帶中和線，降低了天線單元耦合，設計出的MIMO天線在3.1 GHz～5 GHz處隔離度達到-22 dB。中和線的長度、變形對天線的隔離度也有較大的影響。文獻[12]提出的天線採用了兩根不同長度的中和線，通過聯合解耦的方式，在反射係數-6 dB的標準帶寬下，實現了多個不同寬頻帶範圍內的解耦。
  • 一種基於EBG結構的新型微帶基站天線設計介紹
    在不犧牲天線帶寬性能的基礎上，大幅降低天線的高度，從而便於系統集成，且可以大幅減少迎風面的面積，有效減低成本，便於基站選址和安裝。 1 EBG單元設計 本文提出了一種新型EBG結構單元，其結構如圖1所示。該結構厚度為0.98 mm，介質採用Rogers4350作為介質基板，其相對介電常數為3.6。介質基板與地背板之間是厚度為15 mm的空氣層。