带线型阵列天线单元的一体化设计要点.pdf

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 Stripline 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 advantages 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 stripline 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 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 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) ：339-344. 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_walter163.com 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 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 this 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; measurment 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 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 RCklCiklklSiklSikl 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。 121212 ZRjX（13） ' 1212333 154()()()()RCi wCi wCi wCi wCi w 12123 302()()RCi wCi wCi w（14） 12123 302()()XSi wSi wSi w（15） 1 2wkd ， 2 2 2 (42 ) 2 d wkLL ， 22 3 2 ()wkdLL 图 9 给出了无限大金属平板上水平对称振子的 阻抗特性。可以看到，当 d 小于 0.5 时，输入阻抗 曲线变化剧烈，说明地面对天线的输入阻抗影响很 ·7· 大；当 d 大于 0.5 时，输入阻抗曲线变化趋缓，说 明地面对天线的输入阻抗影响减小；当d趋于无限 大时，输入阻抗曲线变化平稳，并逐渐趋于自由空 间天线的输入阻抗。说明地面对天线的输入阻抗影 响减弱。半波对称振子天线的带宽一般为5%左右， 属于窄频带天线。而采用宽带馈电技术可以实现 1020%的工作带宽。 图 9 地面对水平半波振子输入阻杭的影响图 图 10 标签天线的结构图示意图 3 设计实例 在这里我们将介绍一个天线的仿真，其中我们 比较关心的参数是天线的输入阻抗。在RF 装置中， 工作频率增加到微波区域的时候，天线与标签芯片 之间的匹配问题变得更加严峻。天线的目标是传输 最大的能量进出标签芯片。这需要仔细的设计天线 和自由空间以及其相连的标签芯片的匹配。为了最 大功率传输，与天线接的芯片的输入阻抗必须和天 线的输出阻抗匹配。几十年来，设计天线与50 或 70 欧姆的阻抗匹配，但是可能设计天线具有其他的 特性阻抗。例如，一个缝隙天线可以设计具有几百 欧姆的阻抗。一个折叠偶极子的阻抗可以是一个标 准半波偶极子阻抗的20 倍。印刷贴片天线的引出点 能够提供一个很宽范围的阻抗（通常是 40 到 100 欧 姆） 。选择天线的类型，以至于它的阻抗能够和标签 芯片的输入阻抗匹配是十分关键的。由于微波射频 识别系统工作的特殊性，标签天线的设计参数与一 般的天线有所不同，为了正常工作，要满足以下条 件：足够的小以至于能够贴到需要的物品上，在智 能交通系统中，不能影响车辆的驾驶；有全向或半 球覆盖的方向性，这样对标签的放置就没有特定要 求；能提供最大可能的信号给标签的芯片；无论物 品在什么方向，天线的极化都能与读卡机的询问信 号相匹配； 具有鲁棒性； 非常便宜。 在微波 RFID 系 统中，可选的天线有几种：双偶极子、折叠偶极子、 印刷偶极子、微带面和双数螺旋。标签是贴于被识 别物体表面的，物体的材料和形状可能会对标签天 线的辐射特性产生严重的影响，使之与孤立状态是 不相同的，比如：金属表面对远场方向图的影响， 介质材料对谐振频率的影响等，所以在选择和使用 天线的同时，必须再分析整体特性。考虑到系统实 际应用环境通常天线的面积占整个标签的80%左 右，所以天线的尺寸不易过大，选用具有中、低增 益的天线单元作为标签天线的收发天线即可。通常 微波 RFID系统中使用的标签天线是半波对称振子 天线、微带天线等等，但是在915MHz 工作时，这 些天线的尺寸过大，不适合实际使用。我们设计了 一款结构如图10 所示的天线，在两块介质薄板上覆 一层薄铜，铜片的结构见图所示。天线工作频段在 915MHz ，采用介电常数为2.2 的材料，两层介质板 的大小为： 76.1×44mm ，上层介质厚0.7mm ，下 层介质厚0.5mm。这个标签天线可视为一种片状对 称振子天线，左右两部分为天线的两极，中间缝隙 处安装存有资料的集成芯片。从减小其物理尺寸为 目标，首先将其一极（图10 中的左边部分）的宽度 加宽，加宽的宽度和选择的长度由实际工作要求（尺 寸）决定，这样不仅可以降低其特性阻抗，使其阻 抗曲线变化平缓，还可以展宽工作频带，因为如果 采用两极都加宽，辐射特性当然更好，但是面积又 过大了，达不到需要的目的，所以只采用一极加宽； 接着由粗极子过渡到细极子，之所以还需要采用细 极子的原因是为了便于与集成芯片连接，因为集成 芯片的体积很小，它的管脚间距通常只有一个毫米 左右，若采用粗极子则易于引起芯片短接；再者为 了减小天线两极的长度，论文采用折叠的方法，充 分利用标签剩余的空间，在空的区域放置天线，从 而减少其绝对长度。我们采用Ansoft HFSS9.2 进行 仿真。在对天线参数稍微进行调整后：采用介电常 数为 2.2 的材料， 两层介质板的大小为：71× 44mm， 上层介质厚0.5mm，下层介质厚0.5mm。仿真结果 如图 11 所示。从（a）图中我们可以看出其远场辐射 ·8· 方向图和一般的对称振子辐射相似；从（b）图可以 看出，这个标签天线的工作频带有9.8 % , 谐振频率 为 915MHz ， 而在短路情况下仿真得到的天线谐振频 率在 925MHz 。 ；从（ c）和（ d）图可以得到标签天 线的端口阻抗在915MHz 的频率上大致为： 28j15。 与 PHILIPS 提供的芯片匹配良好，制作成的标签经 实际测试性能良好，满足用户要求。 （a）远场辐射特性图 （b）反射系数 dB 值与频率变化图 （c）天线阻抗实部值与频率变化图 （d）天线阻抗虚部值与频率变化图 图 11 天线仿真图 参 考 文 献 1 龚成 . RFID 中电子标签天线设计. RFID 技术与应用 Vol.1, No.3, 2006, PP40-43 2 K.V.Seshagiri rao et al, Antenna Design for UHF RFID Tags: A Review and a Practical Application,IEEE.Trans-AP.,Vol.53,No.12, Dec,2005,PP3870-3876 3 CN200620039337.4 作者简介： 葛寿兵、龚成，男，高级工程师，主要研究领域为微波通讯及天线技术。 ·9· 电阻加载火山烟雾形平面超宽带天线 李长勇 1,2 刘浏 1 双涛 1 康小平 1 杨士中 2 (解放军重庆通信学院，重庆400035) 1(重庆大学通信工程学院 , 重庆 400030) 2 摘要： 本文设计了一种火山烟雾形平面印刷超宽带天线，研究显示其阻抗带宽低频端可达0.8GHz,在加载 电阻回路后可以进一步降低天线阻抗带宽的低端频率，因此在作脉冲辐射时,可减小脉冲信号辐射失真。 关键词： 超宽带天线，火山烟雾，加载电阻，阻抗带宽 Volcano Smoke Planar Ultra-Wide Band Antenna Loaded Resistance Li Changyong 1,2 Liu Liu 1 Shuang Tao 1 Kang Xiaoping 1 Yang Shizhong 2 (Chongqing Communication Acadimic of P.L.A., Chongqing , 400035,) 1 (College of Communication Engineering of Chongqing University, Chongqing ,400030) 2 Abstract: The author designs a volcano smoke planar ultra-wide band antenna, which is compose of the planar volcano smoke antenna and the resistance loop circuits. The lower cut-off frequency of the antenna bandwidth is investigation. The return loss (S11) of the input port of the antenna is measured. The research found that the lower cut-off frequency of antenna with and without resistance loop circuits is 0.5GHz and 0.8GHz, respectively. The results show the resistance loop circuits can expand the bandwidth of the antenna toward the lower frequency direction. Keywords: Ultra-wide band, antennas, volcano smoke, loaded resistance, bandwidth 1 引言 用于脉冲发射的超宽带天线具有很宽的频带， 频带的低频端与天线的尺寸有关，要想做到较低的 低端截止频率就要较大的天线尺寸，这在实际应用 中又受限。因此研究在一定尺寸下进一步降低天线 的低端截止频率很有必要。对于高功率的TEM 喇叭 天线，有学者研究了基于电-磁振子组合型设计方法 1,2，其设计思想是将 TEM 喇叭视为电偶极子，磁偶 极子由良导体或者用适当加载的导体从侧后方将喇 叭相连形成 ,这样电偶极子与磁偶极子组合辐射以增 强低频辐射能力。也有学者研究了基于短路片的平 面单极超宽带天线结构 3,4 以降低阻抗带宽的低频端 的频率，扩展了带宽。这类天线的单极振子为一平 面结构 ,并带有一平板导体地板，在辐射单元与接地 板间用短路片相连，并采用SMA 头的同轴线馈电， 文献 3设计了一种椭圆金属片作为辐射单元，文献 4采用短路和切角技术相结合以提高带宽。 “火山烟雾形”天线 5 是由张开同轴线的外导体 和火山烟雾形的内导体形成的，这种天线具有很宽 的带宽，且在水平面为全方向性。基于这种结构， 文献 6研究了外导体为平板单极结构的天线，研究 显示有超宽带特性。为了减小天线剖面，基于上面 短路结构和电 -磁振子组合型设计思路，本文设计了 一种平面印刷电路形式的火山烟雾形天线，并在天 线上增加了电阻加载回路，研究结果显示这种天线 具有超宽带特性，并增加电阻加载回路后可以进一 步降低带宽的低端频率。 2 火山烟雾型平面天线结构 本文设计的平面印刷形式的火山烟雾形天线， ·10· 如图1 采用共面波导馈电，天线大小，H=75mm， W=75mm ，共面波导尺寸中心导电带宽W1=2mm， 缝 隙 宽S=1mm ， 天 线 项 端 的 圆 弧 半 径 长 为 R1=20mm， 两边的地板上部分也是半径为R2=18mm 的半圆弧，下部分高H2=10mm 。天线颈部圆弧半径 R=47.3mm。 加载电阻回路的火山烟雾形平面天线如图1 所 示。天线加载回路由七个贴片电阻连接五段印刷导 线，天线中间顶端的电阻连接天线振子与顶上一段 导线。 R1 H W R2 W1 S H 2 R H 1 加载电阻 图 1 加载电阻回路的火山烟雾形平面天线 3 数值分析与实验结果 用 Ansoft HFSS 对这种结构天线进行了数值分 析.在 HFSS 中设计这种天线时有几个关键点：加载 电阻可以采用设置集总电阻加载边界（Lumped RLC Boundary）条件的方法进行设置，天线的激励源采 用在共面波导中心导电带上设置集总口(Lumped Port )方式进行设置。图2 显示了 HFSS 模型图。在 HFSS 中，分析了这种天线的馈电处S11参数， 并且 比较分析了参数S11随加载电阻的大小的变化关系。 图 2 HFSS 中的天线模型 数值分析结果可知：电阻的总阻值在1-2K 欧左 右时，带宽的低频端最低， 加载电阻的数值太大 （10K 欧以上）或太小（几百欧以下）都不利于带宽的低 端扩展。 图 3，图 4 给出了几种电阻加载时S11 的曲 线。在电阻加载后，由于电阻的热损耗，会减小天 线的辐射效率。 因此，图 5 给出了在 HFSS 中考查不 同电阻加载时的辐射电场大小，由此可知，加载电 阻越大时辐射的电场越强，因此在选取加载电阻大 小时，就折衷考虑带宽与辐射效率。 图 3 加载电阻时天线的S11 曲线 图 4 加载电阻后的S11 图 5 不同电阻加载时天线辐射电场的不同，YZ 平面，1GHz ·11· 实验测试结果：制作了有加载回路和无加载回 去路这两种天线样品，天线基板采用FR4 材料，介 电常数为4， 厚 0.8mm， 如图 6 和图 7。 利用安立 (Ani) 公司的MS4624D网络分析系统测出了这种天线 10MHz 9GHz 的 S11 数值，图8 给出了没有加载 回路的天线的S11 数值，可知天线低端频率在 0.8GHz 左右。加载电阻时，两边六个加载电阻都为 150，改变顶上电阻R 的大小进行S11 测试。由于 测出的 S11 数值在高于5GHz 时都小于 -10dB，因此 只取了 5GHz 以下的数值进行分析。 图 6 火山烟雾形天线 图 7 加载电阻火山烟雾形平面天线 图 8 无加载回路时天线的S11 测试值 图 9 给出了在10MHz 5GHz 频段内天线三种 情况下的S11 值：无环无电阻、有环无电阻、有环 有电阻。由此可知，加载电阻后，带宽的低端载止 频率向低频端扩展效果明显。图10 和图 11 比较了 几种加载电阻后S11 测试结果，显示了这个电阻值 在 2.2k时最佳 ,低频载止频率可降低到0.5GHz 左 右。从图9 中还可看出，在有环导线，但没有电阻 时，这时的环并没连通，几段导线起到寄生耦合作 用， S11出现了两个大于-10dB 的带阻区。这与文献 7研究的利用寄生振子实现带阻超宽带天线的结果 相一致。 当天线上两边的六个加载电阻为1k时，顶端 的电阻为 1k和 7.5k时的 S11测试值如图12所示， 可以看出，这时的带宽低频端增大，且出现了带阻 特性。 图 9 无环与加载后的S11 测试值比较 ·12· 图 10 加载电阻 2.2k与 1k和 4.7k时 天线 S11 测试值比较 图 11 加载电阻 2.2k与 150 和 7.5k天线 S11 测试值比较 图 12 天线两边六个加载1k时，顶端电阻分别为 1k和 7.5k时的测试值 4 结论 由共面波导馈电的火山烟雾形平面天线有很宽 的阻抗带宽，在天线上加载回路电阻后，可以进一 步增强带宽 ,更有利于信号低频部分的辐射，在这种 天线结构中项端加载的电阻阻值在2k左右，其余 电阻值为150 时，低频扩展能力最好。但是由于电 阻对信号有一定的损耗，从 1GHz 的辐射电场的分析 可知，加载电阻的大小对辐射电场有影响，加载电 阻越大时，辐射电场也越大，这说明电阻越大，在 电阻上损耗的能量越小。 ·13· 参 考 文 献 1 廖勇，张秦岭等. TEM喇叭天线低频补偿实验研究.强激光与粒子束J. 2005,17(8):1247-1250. 2005,17(8):1247-1250. 2 刘锋 ,樊亚军 ,张雪霞 .电 -磁振子组合型小型化超宽带天线研究J. 强激光与粒子束. 2004, 16(8): 1037-1040. 3 金骏，钟顺时。利用短路片结构的小型超宽带单极天线。微波学报，2008，24（2） ：31-33。 4 M. J. Ammann and Zhi Ning Chen 。 A Wide-Band Shorted Planar Monopole With Bevel。 IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 51, NO. 4, APRIL 2003，P901-903。 5 John D.Kraus, Ronald J.Marhefka. Antennas: For All Applications (Third Edition).章文勋译 . 天线 (第三 版)(上,下册 ). 电子工业出版社,2005. 6 TAKUYA TANIGUCHI, AKIHIDE MAEDA, TAKEHIKO KOBAYASHI. Development of an Omnidirectional and Low-VSWR Ultra Wideband Antenna. International Journal on Wireless and Optical Communications, Vol. 3, No. 2 (2006) 145 157. 7 K H Kim, Y J Cho, S H Wang, et al. Band-notched UWB planar monopole antenna with two parasitic patches J. Electron. Lett. , 2005 , 41(14) : 783-785. 作者简介： 李长勇，男，重庆大学博士研究生，主要研究方向为超宽带通信与天线技术； 杨士中，男，中国工程院院士，主要研究方向为运载器测控及遥感信息传输技术。