带线型阵列天线单元的一体化设计要点.pdf
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1、带线型阵列天线单元的一体化设计 万涛 (中国电子科技集团公司第20 研究所,西安,710068) 摘要: 本文采用带状线形式的馈电网络与双面印刷偶极子相结合,设计了一种新型的一体化带线形阵列天 线单元,其具有频带宽、结构紧凑、体积小等优点。X 波段加工的天线实物表明其驻波系数小于2 的相对带 宽超过 20%,并且频带内天线E 面副瓣电平小于指标要求的-22dB,满足了实际使用要求。这种一体化设计 的带线形阵列天线单元适合于用印刷电路技术大批量生产,是大型天线阵的一种理想的辐射纵列形式。 关键词: 阵列天线;带状线;双面印刷偶极子 An Integrative Design of Stripli
2、ne Array Antenna Unit Wan Tao (The Twentieth Institute of Electronic Science Xi an 710068; China) Abstract: A novel integrative design of stripline array antenna unit is introduced in this paper. Combined stripline feeding network with double-faced printed dipoles, this proposed antenna has advantag
3、es of broad bandwidth, compact structure, small bulk, etc. The experimental unit processed in X band achieves over 20 percent VSWR bandwidth of less than 2, and good sidelobe level under desired -22dB within bandwidth in E plane. The unit meets need for practical use. The integrative design of strip
4、line array antenna unit was readily amenable to mass production with printed circuit technology. This unit was properly treated as a seemly radiation element in array antennas. Keywords: array antenna; stripline; double-faced printed dipole 1 引言 相控阵天线系统中阵列天线单元的设计是一维 相扫天线设计的关键。为进一步提高相控阵天线的 性能,对阵列天线单元
5、的研究一直是雷达天线界关 心的课题。 本文介绍的带线型阵列天线单元具有频带宽、 结构紧凑、体积小、易于批量生产等优点。采用一 体化设计的带线型阵列天线单元,其馈电网络适于 与天线阵结构一起制成,适合于用印刷电路技术大 批量生产,是大型天线阵的一种理想的辐射纵列形 式。 2 设计原理 2.1 阵列天线单元中的激励幅度分布 在强制馈电网络中,最常用的电流幅度分布形 式是泰勒幅度分布。对于一般的线阵,泰勒分布可 以在满足一定副瓣电平要求的前提下,使波束最窄、 增益最高,从而达到最优化的设计目的。我们知道, 连续线元的泰勒照射函数为: 1 1 1 1 12cos(2/ ) ( ) 12 n m m n
6、 m m Fm x a f x F (1) 式中 2 2 1 22 2 1 1 1 2 1 1/(1/ 2) ( 1) 21() n m n m n n m An F m n ( 2) 2 2 22 (1/ 2) n An ,20lg(cosh()SLLA (3) 式中为线元长度,n为天线泰勒分布方向图 的等副瓣个数,SLL 为设计的副瓣电平(为正值), x为离散单元到线元中心的距离,cosh() 为双余弦函 数,从上式中我们还可以求出A 为: 2 2020 ln10(10)1/ SLLSLL A( 4) 利用以上公式,编制程序输入单元间距、单元 数 N、理想副瓣电平SLL、等副瓣个数n,即可
7、优 化出离散单元的电流幅度分布 i I 。在实际设计中, 需预先考虑到由于单元及功分器网络的加工及装配 等多项误差,同时由于辐射单元的外互耦及带状线 馈电网络的内互耦等多项因素所带来的影响。 2.2 带状线馈电的双面印刷偶极子辐射单元 传统微带巴伦馈电的印刷偶极子天线,由于采 用的是微带线形式的馈电网络,其辐射损耗较大、 且电性能受外界电磁环境影响较大,并且它采用的 是单面辐射振子结构,其H 面方向图并不是完全对 称的。 本文通过将微带形式的印刷偶极子天线的馈电 网络改进为带状线形式,并且采用双面辐射振子结 构,可以获得一种带状线馈电的新型宽带印刷偶极 子天线,这类天线也可获得较宽的带宽及良好
8、的方 向图特性,并且其馈电网络适于与天线阵结构一起 制成。 带状线馈电的双面印刷偶极子天线结构如图1 所示,包括了上下两层覆铜印刷偶极子天线、中间 带状线馈电网络以及两层介质板组成。其设计办法 是在传统微带巴伦印刷偶极子天线设计计算的基础 上,将微带线中的特性阻抗、线长、线宽等参数转 换为带状线形式下相应的各参数,并且通过仿真略 微调整即可获得精确的设计参数。我们对一工作在 中心频率f0 的辐射单元做了仿真,仿真结果表明其 驻波系数小于2 的相对带宽超过20%。 图 1 HFSS仿真中带状线馈电的双面印刷偶极子天线结构及 驻波仿真曲线 2.3 阵列天线单元的一体化设计 将带状线馈电的双面印刷偶
9、极子辐射单元与带 线型功分网络进行一体化设计,单独设计好的功分 网络各输出端口分别连接双面印刷偶极子辐射单元 的馈电口,考虑到互耦因素,通过仿真试验略微调 节各级阻抗变换段的线宽,即可获得满足电气性能 需求的阵列天线单元结构。 3 实物测试结果分析 根据以上方法,我们在X 波段设计了一副中心 频率工作在f0,辐射单元数为16 个,要求副瓣电平 -22dB 的阵列天线单元,加工的天线实物如图2、3 所示。 图 2 阵列天线单元正、背面 图 3 阵列天线单元中间的馈电网络 3 图 4、5 分别是天线实物的驻波测试曲线以及远 场 E 面方向图测试结果。测试表明,该带线型阵列 天线单元驻波系数小于2
10、的相对带宽超过20%,并 且从 f0 到 f4 的五个频点上天线E 面的副瓣电平均小 于指标要求的 -22dB,天线电气性能满足实际使用要 求。 图 4 阵列天线单元实测驻波曲线 图 5 阵列天线单元实测E 面方向图 4 结论 本文采用带状线形式的馈电网络与双面印刷偶 极子相结合,设计了一种新型的一体化带线形阵列 天线单元, X 波段加工的天线实物表明其电气性能 指标满足设计要求。这种形式的阵列天线单元适合 于用印刷电路技术大批量生产,是大型天线阵的一 种理想的辐射纵列形式。 参 考 文 献 1 林昌禄 . 近代天线设计 . 人民邮电出版社 . 1993:98-107. 2 周朝栋,王元坤,周
11、良明. 线天线理论与应用. 西安电子科技大学出版社. 1988:27-37. 3 Garg R, Bhartia P, Bahl I, etc. Microstrip Antenna Design Handbook. Artech House. 2001:399-416,771-810. 4 钟顺时 . 微带天线理论与应用. 西安电子科技大学出版社. 1991:1-11,228-240. 5 Edward D, Rees D. A broadband printed dipole with integrated balun. Microwave Journal. 1987(5) :339-34
12、4. 6 秦浩,李刚 . 一种一体化设计的阵列天线单元. 雷达科学与技术 . 2006, Vol.4, No.4:245-248. 7 万涛,王风 . 一种带状线馈电的新型宽带印刷偶极子天线. 电子测量技术 . 2007, Vol.30, No.12:22-25. 作者简介: 万涛( 1978) ,男,工程师,从事射频、微波电路和天线设计研究,Email:jason_ 联系电话: 13571493837 02988788672 工作单位:中国电子科技集团公司第20研究所五室 通信地址:西安市92 信箱 65分箱,邮编: 710068 4 UHF 频段 RFID 天线技术研究 葛寿兵 1 龚成
13、2 中国电子科技集团公司第23 研究所 1(上海 201900) 中国电子科技集团公司第50 研究所 2(上海 200063) 摘要: 本文概述了RFID 技术的系统组成及工作原理,重点介绍了标签天线的设计原理与实例,对标签天 线的设计工作有一定参考价值。 关键词: RFID ;天线;测量;电子标签 Research of RFID antenna for UHF band Ge shou-bing 1 Gong cheng2 No.23 research institute of CETC 1 No.50 research institute of CETC2 Abstract: In th
14、is paper ,an overview of antenna design for passive RFID tags is presented. We discuss various requirements of such designs, outline a generic design process. The low profile, low cost and high efficiency of the antenna render it suited for a variety of RFID applications. Keywords: RFID; antenna; me
15、asurment 1 RFID 系统的组成与工作原理 射频识别系统主要是有电子标签、读写设备、 中央处理系统以及用户终端所组成,其系统组成如 图 1 所示。大体上讲 RFID 系统是由电子标签和阅读 器组成的。 图 1 射频识别系统应用框图 RFID 系统 的工作原理, 参照图 2 所示。当电磁 波从雷达天线向周围空间发射时,会遇到不同的目 标,那么到达目标的一部分高频能量以不同的强度 散射 (或反射 )到自由空间的各个方向。当然有某一小 部分能量会返回到发射大线,被称为回波。在雷达 技术中,通过测量回波信号来测量远程目标的距离 和定位。一方面,如果按照某一规律控制目标反射 信号幅度、 相位或
16、频率 (称为调制 ),那么雷达接收机 在接收到反射信号后通过解调就可获得调制信号的 相关规律。如果这一规律是一串有序的数字信号, 那么就可以利用雷达波束进行某种通信。 图 2 调制的雷达散射 同样,参见图3 所示。对于微波射频识别系统 来说,接收天线相当于等效有一个可变负载。当数 据流从阅读器发出时,接收天线利用其可变的负载 特性,将控制接收天线的反射信号,把相关应答信 号调制到反射的电磁波上。当阅读器接受到反射信 5 号时,进行解码获取被识别的信息并发出相应的电 磁载波。而被识别的信息通常被存贮在电子标签中。 电子标签含有被识别的专用信息,可以作为被识别 物体的身份象征。利用阅读器和电子标签
17、之间的射 频通信完成相关的数据交换,达到被识别的目的。 然后,接收到相关被识别信息的阅读器将相关信息 通过局域网络系统和Internet 网路系统传送到直接管 理部门,供管理者实时远程管理以及跟踪,使远程 移动商务成为可能。 这就是 RFID 系统的简要工作原 理。在这个系统中最最关键的核心部件是电子标签。 图 3 常用的电子标签天线 2 电子标签天线的设计 在微波 RFID 系统中,天线被用于接收和发射电 磁波,即进行能量的转换装置,常用半个波长的天 线。在近于半波长时,天线处于谐振状态,输入阻 抗接近为实数。此时,天线的效率较高,辐射及接 收电磁波的能力较强,并且易于实现匹配。实际上, 并
18、不是所有的系数都采用半波长的天线,小于半个 波长的天线也是可以使用的,只是其输入感抗增加, 输入电阻降低。将造成难以实现阻抗匹配,辐射效 率也降低,这就意味着接收功率降低,后向散射回 阅读器的功率也减小。通常使用的谐振天线也有半 波对称振子、折合振子以及各种形状的微带天线。 一般地,对称振子都使用线形振子或者是被印制在 介质板上。为了降低天线的欧姆值以及导体损耗等, 对称振子的宽度要尽量宽些,制作材料的电阻率要 低。电子标签常用的对称振子天线示于图3。 对于常规的对称振子天线,呈线形振子,即导 线的半径a 与波长相比小得多 (a/1),被称为线 天线。参照图4 所示的坐标系统对称振子的典型参
19、数为: 图 4 坐标系统 长度:一般讲,半波对称振子天线的长度就 是半个波长。实用中的对称振子天线,其实际长度 并非是精确的半波长,而通常是小于半个波长。这 是由于对称振子的辐射损耗和末端效应引起电流的 波长缩短,从而引起天线长度的缩短,在实际的设 计时天线的谐振长度与波长缩短系数有如下关系 : 2 2 l(1) 其中: 2 k为波数,为工作波长,为波 长缩短系数,工程上,一般可用下式进行计算: 0.225 1 ln ka (2) 这里a 为天线振子的半径。常用的片状对称振 子(如图 3中的 b)其宽度 w 也可等效为圆柱形对称振 子的半径 :工程上有如下等效关系: 0.65aw(3) 方向函
20、数、方向性系数:参照图4 所示的坐 标系统,半波对称振子的方间函数可以表示为: coscos 2 , sin f(4) 天线的方向性系数,D可由式( 5)给出。 图 5 中给出了半波对称振子的方向函数曲线。 2 2 2 0 0 4( , ) , ,sin f D fd d (5) 在最大辐射方向上( 2 )时,其方向性系数 为 1.64 即 2.15dB。在实际RFID 系统中,电子标签 被安装在被识别的物体上,而被识别的物体常常是 金属的。为此电子标签天线的设计必须计入无限大 金属背板的影响。 6 图 5 对称振子的方向图 参照图6 所示的坐标系统。假定天线距金属板 的距离为d。 则安装在金
21、属背板上的对称振子天线可 以看作是理想导体平面上的水平对称振子天线。则 其辐射场的方向函数,f可写为: 1 , a fff( 6) 图 6 金属平板对天线的影响 其中: 1 ,f为半波振子的方向函数,由式 (4) 给出: ,2sin(sinsin) a fkd( 7) , a f被称为阵因子。 图 7 中给出了安装在金属背板上的半波振子天 线的典型方向图,比较图5 和图 7 可以看到,在无 限大金属板上的对称振子天线,其H 面波瓣宽度明 显变窄。当距离d/ 4时,其最大辐射方向仍然在 ( 0 ,90 2 )的方向上;当 2 d时,其在 0 ,90 2 方向上的辐射场为零。因此,在RFID 系统
22、中结合具体工程应用一般选d/ 4,一方面 易于使标签紧贴被识别物体,尽量减少所占空间;另 一方面也使天线的最大辐射方向垂直于理想导体 表面。 图 7 金属板对天线H 面方向图的影响 l/ 图 8 对称振子的输入阻杭随长度的变化 输入阻抗及驻波比:对称振子天线的阻抗就 是它位于自由空间的辐射阻抗,是“吸收”其自辐 射功率的阻抗。对称振子的辐射功率就是振子电流 在自身电磁场作用下的感应辐射功率。其输入阻抗 可用感应电动势法求得为: ininin ZRjX(8) 其中: 1 60ln(2)(2)sin(2)(4)2(2) 2 1 cos(2)ln()(4)2(2) 2 in RCklCiklklSi
23、klSikl klCklCiklCikl (9) C=0.5772 为欧拉 (Eular)常数。 2 302(2)cos(2)2(2)(4) sin(2) 2(2)(4)(/ ) in XSiklklSiklSikl klCiklCiklCi kal (10) 0 sin ( ) cos ( ) x x t Si xdt t t Ci xdt t (11) 其中 a 为振子半径。图8 中给出了对称振子天 线的输入阻抗随电长度的变化曲线(其中a 0.001) 。 当考虑到无限大金属背板的影响时,对称振子天线 的阻抗可由下式给出: 1112in ZZZ(12) 其中, 11 Z由式( 8)给出。
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- 线型 阵列 天线 单元 一体化 设计 要点
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