帶線型陣列天線單元的一體化設(shè)計(jì)

1、帶線型陣列天線單元的一體化設(shè)計(jì)萬(wàn) 濤（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安，710068）摘 要：本文采用帶狀線形式的饋電網(wǎng)絡(luò)與雙面印刷偶極子相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種新型的一體化帶線形陣列天線單元，其具有頻帶寬、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等優(yōu)點(diǎn)。X波段加工的天線實(shí)物表明其駐波系數(shù)小于2的相對(duì)帶寬超過(guò)20%，并且頻帶內(nèi)天線E面副瓣電平小于指標(biāo)要求的-22dB，滿足了實(shí)際使用要求。這種一體化設(shè)計(jì)的帶線形陣列天線單元適合于用印刷電路技術(shù)大批量生產(chǎn)，是大型天線陣的一種理想的輻射縱列形式。關(guān)鍵詞：陣列天線；帶狀線；雙面印刷偶極子An Integrative Design of Stripline Array Ante

2、nna UnitWan Tao(The Twentieth Institute of Electronic Science & Technology Corporation; Xian 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

3、 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

4、 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 dipole131 引言相控陣天線系統(tǒng)中陣列天線單元的設(shè)計(jì)是一維相掃天線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為進(jìn)一步提高相控陣天線的性能，對(duì)

5、陣列天線單元的研究一直是雷達(dá)天線界關(guān)心的課題。本文介紹的帶線型陣列天線單元具有頻帶寬、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。采用一體化設(shè)計(jì)的帶線型陣列天線單元，其饋電網(wǎng)絡(luò)適于與天線陣結(jié)構(gòu)一起制成，適合于用印刷電路技術(shù)大批量生產(chǎn)，是大型天線陣的一種理想的輻射縱列形式。2 設(shè)計(jì)原理2.1 陣列天線單元中的激勵(lì)幅度分布在強(qiáng)制饋電網(wǎng)絡(luò)中，最常用的電流幅度分布形式是泰勒幅度分布。對(duì)于一般的線陣，泰勒分布可以在滿足一定副瓣電平要求的前提下，使波束最窄、增益最高，從而達(dá)到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)目的。我們知道，連續(xù)線元的泰勒照射函數(shù)為： （1）式中（2），（3）式中為線元長(zhǎng)度，為天線泰勒分布方向圖的等副瓣個(gè)數(shù)，SLL為

6、設(shè)計(jì)的副瓣電平（為正值），為離散單元到線元中心的距離，為雙余弦函數(shù)，從上式中我們還可以求出A為： （4）利用以上公式，編制程序輸入單元間距、單元數(shù)N、理想副瓣電平SLL、等副瓣個(gè)數(shù)，即可優(yōu)化出離散單元的電流幅度分布。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需預(yù)先考慮到由于單元及功分器網(wǎng)絡(luò)的加工及裝配等多項(xiàng)誤差，同時(shí)由于輻射單元的外互耦及帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)互耦等多項(xiàng)因素所帶來(lái)的影響。2.2 帶狀線饋電的雙面印刷偶極子輻射單元傳統(tǒng)微帶巴倫饋電的印刷偶極子天線，由于采用的是微帶線形式的饋電網(wǎng)絡(luò)，其輻射損耗較大、且電性能受外界電磁環(huán)境影響較大，并且它采用的是單面輻射振子結(jié)構(gòu)，其H面方向圖并不是完全對(duì)稱的。本文通過(guò)將微帶形式的印

7、刷偶極子天線的饋電網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)為帶狀線形式，并且采用雙面輻射振子結(jié)構(gòu)，可以獲得一種帶狀線饋電的新型寬帶印刷偶極子天線，這類天線也可獲得較寬的帶寬及良好的方向圖特性，并且其饋電網(wǎng)絡(luò)適于與天線陣結(jié)構(gòu)一起制成。帶狀線饋電的雙面印刷偶極子天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括了上下兩層覆銅印刷偶極子天線、中間帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)以及兩層介質(zhì)板組成。其設(shè)計(jì)辦法是在傳統(tǒng)微帶巴倫印刷偶極子天線設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)上，將微帶線中的特性阻抗、線長(zhǎng)、線寬等參數(shù)轉(zhuǎn)換為帶狀線形式下相應(yīng)的各參數(shù)，并且通過(guò)仿真略微調(diào)整即可獲得精確的設(shè)計(jì)參數(shù)。我們對(duì)一工作在中心頻率f0的輻射單元做了仿真，仿真結(jié)果表明其駐波系數(shù)小于2的相對(duì)帶寬超過(guò)20%。圖1 HFSS

8、仿真中帶狀線饋電的雙面印刷偶極子天線結(jié)構(gòu)及駐波仿真曲線2.3 陣列天線單元的一體化設(shè)計(jì)將帶狀線饋電的雙面印刷偶極子輻射單元與帶線型功分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，單獨(dú)設(shè)計(jì)好的功分網(wǎng)絡(luò)各輸出端口分別連接雙面印刷偶極子輻射單元的饋電口，考慮到互耦因素，通過(guò)仿真試驗(yàn)略微調(diào)節(jié)各級(jí)阻抗變換段的線寬，即可獲得滿足電氣性能需求的陣列天線單元結(jié)構(gòu)。3 實(shí)物測(cè)試結(jié)果分析根據(jù)以上方法，我們?cè)赬波段設(shè)計(jì)了一副中心頻率工作在f0，輻射單元數(shù)為16個(gè)，要求副瓣電平-22dB的陣列天線單元，加工的天線實(shí)物如圖2、3所示。圖2 陣列天線單元正、背面圖3 陣列天線單元中間的饋電網(wǎng)絡(luò)圖4、5分別是天線實(shí)物的駐波測(cè)試曲線以及遠(yuǎn)場(chǎng)E面方向

9、圖測(cè)試結(jié)果。測(cè)試表明，該帶線型陣列天線單元駐波系數(shù)小于2的相對(duì)帶寬超過(guò)20%，并且從f0到f4的五個(gè)頻點(diǎn)上天線E面的副瓣電平均小于指標(biāo)要求的-22dB，天線電氣性能滿足實(shí)際使用要求。圖4 陣列天線單元實(shí)測(cè)駐波曲線圖5 陣列天線單元實(shí)測(cè)E面方向圖4 結(jié)論本文采用帶狀線形式的饋電網(wǎng)絡(luò)與雙面印刷偶極子相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種新型的一體化帶線形陣列天線單元，X波段加工的天線實(shí)物表明其電氣性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。這種形式的陣列天線單元適合于用印刷電路技術(shù)大批量生產(chǎn)，是大型天線陣的一種理想的輻射縱列形式。參 考 文 獻(xiàn)1 林昌祿. 近代天線設(shè)計(jì). 人民郵電出版社. 1993：98-107.2 周朝棟，王元坤，周良

10、明. 線天線理論與應(yīng)用. 西安電子科技大學(xué)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 鐘順時(shí). 微帶天線理論與應(yīng)用. 西安電子科技大學(xué)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

11、，李剛. 一種一體化設(shè)計(jì)的陣列天線單元. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù). 2006, Vol.4, No.4：245-248.7 萬(wàn)濤，王風(fēng). 一種帶狀線饋電的新型寬帶印刷偶極子天線. 電子測(cè)量技術(shù). 2007, Vol.30, No.12：22-25.作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)濤（1978），男，工程師，從事射頻、微波電路和天線設(shè)計(jì)研究，Email：jason_walter聯(lián)系電話02988788672工作單位：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第20研究所五室通信地址：西安市92信箱65分箱，郵編：710068UHF頻段RFID天線技術(shù)研究葛壽兵1 龔成2中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第23研究所 1（上海2019

12、00）中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第50研究所 2（上海200063）摘 要：本文概述了RFID技術(shù)的系統(tǒng)組成及工作原理，重點(diǎn)介紹了標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)原理與實(shí)例，對(duì)標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)工作有一定參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：RFID；天線；測(cè)量；電子標(biāo)簽Research of RFID antenna for UHF bandGe shou-bing 1 Gong cheng2No.23 research institute of CETC1 No.50 research institute of CETC2Abstract: In this paper ,an overview of antenna design for

13、 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; measurment1 RFID系統(tǒng)的組成與工作原理射頻識(shí)別系統(tǒng)主要是有電子標(biāo)簽、讀寫設(shè)備

14、、中央處理系統(tǒng)以及用戶終端所組成，其系統(tǒng)組成如圖1所示。大體上講RFID系統(tǒng)是由電子標(biāo)簽和閱讀器組成的。圖1 射頻識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用框圖RFID系統(tǒng)的工作原理，參照?qǐng)D2所示。當(dāng)電磁波從雷達(dá)天線向周圍空間發(fā)射時(shí)，會(huì)遇到不同的目標(biāo)，那么到達(dá)目標(biāo)的一部分高頻能量以不同的強(qiáng)度散射(或反射)到自由空間的各個(gè)方向。當(dāng)然有某一小部分能量會(huì)返回到發(fā)射大線，被稱為回波。在雷達(dá)技術(shù)中，通過(guò)測(cè)量回波信號(hào)來(lái)測(cè)量遠(yuǎn)程目標(biāo)的距離和定位。一方面，如果按照某一規(guī)律控制目標(biāo)反射信號(hào)幅度、相位或頻率(稱為調(diào)制)，那么雷達(dá)接收機(jī)在接收到反射信號(hào)后通過(guò)解調(diào)就可獲得調(diào)制信號(hào)的相關(guān)規(guī)律。如果這一規(guī)律是一串有序的數(shù)字信號(hào)，那么就可以利用雷達(dá)波束

15、進(jìn)行某種通信。圖2 調(diào)制的雷達(dá)散射同樣，參見圖3所示。對(duì)于微波射頻識(shí)別系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，接收天線相當(dāng)于等效有一個(gè)可變負(fù)載。當(dāng)數(shù)據(jù)流從閱讀器發(fā)出時(shí)，接收天線利用其可變的負(fù)載特性，將控制接收天線的反射信號(hào)，把相關(guān)應(yīng)答信號(hào)調(diào)制到反射的電磁波上。當(dāng)閱讀器接受到反射信號(hào)時(shí)，進(jìn)行解碼獲取被識(shí)別的信息并發(fā)出相應(yīng)的電磁載波。而被識(shí)別的信息通常被存貯在電子標(biāo)簽中。電子標(biāo)簽含有被識(shí)別的專用信息，可以作為被識(shí)別物體的身份象征。利用閱讀器和電子標(biāo)簽之間的射頻通信完成相關(guān)的數(shù)據(jù)交換，達(dá)到被識(shí)別的目的。然后，接收到相關(guān)被識(shí)別信息的閱讀器將相關(guān)信息通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和Internet網(wǎng)路系統(tǒng)傳送到直接管理部門，供管理者實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程管理以

16、及跟蹤，使遠(yuǎn)程移動(dòng)商務(wù)成為可能。這就是RFID系統(tǒng)的簡(jiǎn)要工作原理。在這個(gè)系統(tǒng)中最最關(guān)鍵的核心部件是電子標(biāo)簽。圖3 常用的電子標(biāo)簽天線2 電子標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)在微波RFID系統(tǒng)中，天線被用于接收和發(fā)射電磁波，即進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換裝置，常用半個(gè)波長(zhǎng)的天線。在近于半波長(zhǎng)時(shí)，天線處于諧振狀態(tài)，輸入阻抗接近為實(shí)數(shù)。此時(shí)，天線的效率較高，輻射及接收電磁波的能力較強(qiáng)，并且易于實(shí)現(xiàn)匹配。實(shí)際上，并不是所有的系數(shù)都采用半波長(zhǎng)的天線，小于半個(gè)波長(zhǎng)的天線也是可以使用的，只是其輸入感抗增加，輸入電阻降低。將造成難以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，輻射效率也降低，這就意味著接收功率降低，后向散射回閱讀器的功率也減小。通常使用的諧振天線也有半波

17、對(duì)稱振子、折合振子以及各種形狀的微帶天線。一般地，對(duì)稱振子都使用線形振子或者是被印制在介質(zhì)板上。為了降低天線的歐姆值以及導(dǎo)體損耗等，對(duì)稱振子的寬度要盡量寬些，制作材料的電阻率要低。電子標(biāo)簽常用的對(duì)稱振子天線示于圖3。對(duì)于常規(guī)的對(duì)稱振子天線，呈線形振子，即導(dǎo)線的半徑a與波長(zhǎng)相比小得多(a/1),被稱為線天線。參照?qǐng)D4所示的坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)稱振子的典型參數(shù)為：圖4 坐標(biāo)系統(tǒng) 長(zhǎng)度：一般講，半波對(duì)稱振子天線的長(zhǎng)度就是半個(gè)波長(zhǎng)。實(shí)用中的對(duì)稱振子天線，其實(shí)際長(zhǎng)度并非是精確的半波長(zhǎng)，而通常是小于半個(gè)波長(zhǎng)。這是由于對(duì)稱振子的輻射損耗和末端效應(yīng)引起電流的波長(zhǎng)縮短，從而引起天線長(zhǎng)度的縮短，在實(shí)際的設(shè)計(jì)時(shí)天線的諧振長(zhǎng)度

18、與波長(zhǎng)縮短系數(shù)有如下關(guān)系: （1）其中：為波數(shù)，為工作波長(zhǎng)，為波長(zhǎng)縮短系數(shù)，工程上，一般可用下式進(jìn)行計(jì)算： （2）這里a為天線振子的半徑。常用的片狀對(duì)稱振子(如圖3中的b)其寬度w也可等效為圓柱形對(duì)稱振子的半徑:工程上有如下等效關(guān)系： （3） 方向函數(shù)、方向性系數(shù)：參照?qǐng)D4所示的坐標(biāo)系統(tǒng)，半波對(duì)稱振子的方間函數(shù)可以表示為: （4）天線的方向性系數(shù)可由式（5）給出。圖5中給出了半波對(duì)稱振子的方向函數(shù)曲線。 （5）在最大輻射方向上（）時(shí)，其方向性系數(shù)為1.64即2.15dB。在實(shí)際RFID系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽被安裝在被識(shí)別的物體上，而被識(shí)別的物體常常是金屬的。為此電子標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)必須計(jì)入無(wú)限大金屬背

19、板的影響。圖5 對(duì)稱振子的方向圖參照?qǐng)D6所示的坐標(biāo)系統(tǒng)。假定天線距金屬板的距離為d。則安裝在金屬背板上的對(duì)稱振子天線可以看作是理想導(dǎo)體平面上的水平對(duì)稱振子天線。則其輻射場(chǎng)的方向函數(shù)可寫為： （6）圖6 金屬平板對(duì)天線的影響其中：為半波振子的方向函數(shù)，由式（4）給出： （7）被稱為陣因子。圖7中給出了安裝在金屬背板上的半波振子天線的典型方向圖，比較圖5和圖7可以看到，在無(wú)限大金屬板上的對(duì)稱振子天線，其H面波瓣寬度明顯變窄。當(dāng)距離d時(shí)，其最大輻射方向仍然在（）的方向上；當(dāng)時(shí)，其在方向上的輻射場(chǎng)為零。因此，在RFID系統(tǒng)中結(jié)合具體工程應(yīng)用一般選d，一方面易于使標(biāo)簽緊貼被識(shí)別物體，盡量減少所占空間;另

20、一方面也使天線的最大輻射方向垂直于理想導(dǎo)體表面。 圖7 金屬板對(duì)天線H面方向圖的影響圖8 對(duì)稱振子的輸入阻杭隨長(zhǎng)度的變化 輸入阻抗及駐波比：對(duì)稱振子天線的阻抗就是它位于自由空間的輻射阻抗，是“吸收”其自輻射功率的阻抗。對(duì)稱振子的輻射功率就是振子電流在自身電磁場(chǎng)作用下的感應(yīng)輻射功率。其輸入阻抗可用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)法求得為： （8）其中：（9）C=0.5772 為歐拉(Eular)常數(shù)。（10） （11）其中a為振子半徑。圖8中給出了對(duì)稱振子天線的輸入阻抗隨電長(zhǎng)度的變化曲線（其中a0.001）。當(dāng)考慮到無(wú)限大金屬背板的影響時(shí)，對(duì)稱振子天線的阻抗可由下式給出： （12）其中，由式（8）給出。 （13） （

21、14）（15），圖9給出了無(wú)限大金屬平板上水平對(duì)稱振子的阻抗特性?？梢钥吹剑?dāng)小于0.5時(shí)，輸入阻抗曲線變化劇烈，說(shuō)明地面對(duì)天線的輸入阻抗影響很大；當(dāng)大于0.5時(shí)，輸入阻抗曲線變化趨緩，說(shuō)明地面對(duì)天線的輸入阻抗影響減?。划?dāng)趨于無(wú)限大時(shí)，輸入阻抗曲線變化平穩(wěn)，并逐漸趨于自由空間天線的輸入阻抗。說(shuō)明地面對(duì)天線的輸入阻抗影響減弱。半波對(duì)稱振子天線的帶寬一般為5%左右，屬于窄頻帶天線。而采用寬帶饋電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)1020%的工作帶寬。圖9 地面對(duì)水平半波振子輸入阻杭的影響圖圖10 標(biāo)簽天線的結(jié)構(gòu)圖示意圖3 設(shè)計(jì)實(shí)例在這里我們將介紹一個(gè)天線的仿真，其中我們比較關(guān)心的參數(shù)是天線的輸入阻抗。在RF裝置中，工作

22、頻率增加到微波區(qū)域的時(shí)候，天線與標(biāo)簽芯片之間的匹配問(wèn)題變得更加嚴(yán)峻。天線的目標(biāo)是傳輸最大的能量進(jìn)出標(biāo)簽芯片。這需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)天線和自由空間以及其相連的標(biāo)簽芯片的匹配。為了最大功率傳輸，與天線接的芯片的輸入阻抗必須和天線的輸出阻抗匹配。幾十年來(lái)，設(shè)計(jì)天線與50 或70歐姆的阻抗匹配，但是可能設(shè)計(jì)天線具有其他的特性阻抗。例如，一個(gè)縫隙天線可以設(shè)計(jì)具有幾百歐姆的阻抗。一個(gè)折疊偶極子的阻抗可以是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)半波偶極子阻抗的20倍。印刷貼片天線的引出點(diǎn)能夠提供一個(gè)很寬范圍的阻抗（通常是40 到100歐姆）。選擇天線的類型，以至于它的阻抗能夠和標(biāo)簽芯片的輸入阻抗匹配是十分關(guān)鍵的。由于微波射頻識(shí)別系統(tǒng)工作的特殊

23、性，標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)參數(shù)與一般的天線有所不同，為了正常工作，要滿足以下條件：足夠的小以至于能夠貼到需要的物品上，在智能交通系統(tǒng)中，不能影響車輛的駕駛；有全向或半球覆蓋的方向性，這樣對(duì)標(biāo)簽的放置就沒有特定要求；能提供最大可能的信號(hào)給標(biāo)簽的芯片；無(wú)論物品在什么方向，天線的極化都能與讀卡機(jī)的詢問(wèn)信號(hào)相匹配；具有魯棒性；非常便宜。在微波RFID系統(tǒng)中，可選的天線有幾種：雙偶極子、折疊偶極子、印刷偶極子、微帶面和雙數(shù)螺旋。標(biāo)簽是貼于被識(shí)別物體表面的，物體的材料和形狀可能會(huì)對(duì)標(biāo)簽天線的輻射特性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，使之與孤立狀態(tài)是不相同的，比如：金屬表面對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的影響，介質(zhì)材料對(duì)諧振頻率的影響等，所以在選擇和

24、使用天線的同時(shí)，必須再分析整體特性。考慮到系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境通常天線的面積占整個(gè)標(biāo)簽的80%左右，所以天線的尺寸不易過(guò)大，選用具有中、低增益的天線單元作為標(biāo)簽天線的收發(fā)天線即可。通常微波RFID系統(tǒng)中使用的標(biāo)簽天線是半波對(duì)稱振子天線、微帶天線等等，但是在915MHz 工作時(shí)，這些天線的尺寸過(guò)大，不適合實(shí)際使用。我們?cè)O(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)如圖10所示的天線，在兩塊介質(zhì)薄板上覆一層薄銅，銅片的結(jié)構(gòu)見圖所示。天線工作頻段在915MHz，采用介電常數(shù)為2.2的材料，兩層介質(zhì)板的大小為：76.144mm ，上層介質(zhì)厚0.7mm ，下層介質(zhì)厚0.5mm。這個(gè)標(biāo)簽天線可視為一種片狀對(duì)稱振子天線，左右兩部分為天線的兩極

25、，中間縫隙處安裝存有資料的集成芯片。從減小其物理尺寸為目標(biāo)，首先將其一極（圖10中的左邊部分）的寬度加寬，加寬的寬度和選擇的長(zhǎng)度由實(shí)際工作要求（尺寸）決定，這樣不僅可以降低其特性阻抗，使其阻抗曲線變化平緩，還可以展寬工作頻帶，因?yàn)槿绻捎脙蓸O都加寬，輻射特性當(dāng)然更好，但是面積又過(guò)大了，達(dá)不到需要的目的，所以只采用一極加寬；接著由粗極子過(guò)渡到細(xì)極子，之所以還需要采用細(xì)極子的原因是為了便于與集成芯片連接，因?yàn)榧尚酒捏w積很小，它的管腳間距通常只有一個(gè)毫米左右，若采用粗極子則易于引起芯片短接；再者為了減小天線兩極的長(zhǎng)度，論文采用折疊的方法，充分利用標(biāo)簽剩余的空間，在空的區(qū)域放置天線，從而減少其絕對(duì)

26、長(zhǎng)度。我們采用Ansoft HFSS9.2進(jìn)行仿真。在對(duì)天線參數(shù)稍微進(jìn)行調(diào)整后：采用介電常數(shù)為2.2的材料，兩層介質(zhì)板的大小為：7144mm，上層介質(zhì)厚0.5mm，下層介質(zhì)厚0.5mm。仿真結(jié)果如圖11所示。從（a）圖中我們可以看出其遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖和一般的對(duì)稱振子輻射相似；從（b）圖可以看出，這個(gè)標(biāo)簽天線的工作頻帶有 9.8 % , 諧振頻率為915MHz，而在短路情況下仿真得到的天線諧振頻率在925MHz。；從（c）和（d）圖可以得到標(biāo)簽天線的端口阻抗在915MHz的頻率上大致為：28j15。與PHILIPS 提供的芯片匹配良好，制作成的標(biāo)簽經(jīng)實(shí)際測(cè)試性能良好，滿足用戶要求。 （a）遠(yuǎn)場(chǎng)輻射

27、特性圖（b）反射系數(shù)dB值與頻率變化圖（c）天線阻抗實(shí)部值與頻率變化圖（d）天線阻抗虛部值與頻率變化圖圖11 天線仿真圖參 考 文 獻(xiàn)1 龔成. RFID中電子標(biāo)簽天線設(shè)計(jì). RFID技術(shù)與應(yīng)用Vol.1, No.3, 2006, PP40-432 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,PP3870-38763 CN200620039337.4作者簡(jiǎn)介：葛壽兵、龔成，

28、男，高級(jí)工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⒉ㄍㄓ嵓疤炀€技術(shù)。電阻加載火山煙霧形平面超寬帶天線李長(zhǎng)勇1,2 劉 瀏1 雙 濤1 康小平1 楊士中2(解放軍重慶通信學(xué)院，重慶 400035)1(重慶大學(xué)通信工程學(xué)院, 重慶 400030)2摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種火山煙霧形平面印刷超寬帶天線，研究顯示其阻抗帶寬低頻端可達(dá)0.8GHz,在加載電阻回路后可以進(jìn)一步降低天線阻抗帶寬的低端頻率，因此在作脈沖輻射時(shí),可減小脈沖信號(hào)輻射失真。關(guān)鍵詞：超寬帶天線，火山煙霧，加載電阻，阻抗帶寬Volcano Smoke Planar Ultra-Wide Band Antenna Loaded Resistance Li C

29、hangyong1,2 Liu Liu1 Shuang Tao1 Kang Xiaoping1 Yang Shizhong2(Chongqing Communication Acadimic of P.L.A., Chongqing , 400035,) 1(College of Communication Engineering of Chongqing University, Chongqing ,400030) 2Abstract: The author designs a volcano smoke planar ultra-wide band antenna, which is co

30、mpose 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 resis

31、tance 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, bandwidth1 引言用于脈沖發(fā)射的超寬帶天線具有很寬的頻帶，頻帶的低頻端與天線的尺寸有關(guān)，要想

32、做到較低的低端截止頻率就要較大的天線尺寸，這在實(shí)際應(yīng)用中又受限。因此研究在一定尺寸下進(jìn)一步降低天線的低端截止頻率很有必要。對(duì)于高功率的TEM喇叭天線，有學(xué)者研究了基于電-磁振子組合型設(shè)計(jì)方法1,2，其設(shè)計(jì)思想是將TEM喇叭視為電偶極子，磁偶極子由良導(dǎo)體或者用適當(dāng)加載的導(dǎo)體從側(cè)后方將喇叭相連形成,這樣電偶極子與磁偶極子組合輻射以增強(qiáng)低頻輻射能力。也有學(xué)者研究了基于短路片的平面單極超寬帶天線結(jié)構(gòu)3,4以降低阻抗帶寬的低頻端的頻率，擴(kuò)展了帶寬。這類天線的單極振子為一平面結(jié)構(gòu),并帶有一平板導(dǎo)體地板，在輻射單元與接地板間用短路片相連，并采用SMA頭的同軸線饋電，文獻(xiàn)3設(shè)計(jì)了一種橢圓金屬片作為輻射單元，文

33、獻(xiàn)4采用短路和切角技術(shù)相結(jié)合以提高帶寬?！盎鹕綗熿F形”天線5是由張開同軸線的外導(dǎo)體和火山煙霧形的內(nèi)導(dǎo)體形成的，這種天線具有很寬的帶寬，且在水平面為全方向性。基于這種結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)6研究了外導(dǎo)體為平板單極結(jié)構(gòu)的天線，研究顯示有超寬帶特性。為了減小天線剖面，基于上面短路結(jié)構(gòu)和電-磁振子組合型設(shè)計(jì)思路，本文設(shè)計(jì)了一種平面印刷電路形式的火山煙霧形天線，并在天線上增加了電阻加載回路，研究結(jié)果顯示這種天線具有超寬帶特性，并增加電阻加載回路后可以進(jìn)一步降低帶寬的低端頻率。2 火山煙霧型平面天線結(jié)構(gòu)本文設(shè)計(jì)的平面印刷形式的火山煙霧形天線，如圖1采用共面波導(dǎo)饋電，天線大小，H=75mm，W=75mm，共面波導(dǎo)尺寸中

34、心導(dǎo)電帶寬W1=2mm，縫隙寬S=1mm，天線項(xiàng)端的圓弧半徑長(zhǎng)為R1=20mm，兩邊的地板上部分也是半徑為R2=18mm的半圓弧，下部分高H2=10mm。天線頸部圓弧半徑R=47.3mm。加載電阻回路的火山煙霧形平面天線如圖1所示。天線加載回路由七個(gè)貼片電阻連接五段印刷導(dǎo)線，天線中間頂端的電阻連接天線振子與頂上一段導(dǎo)線。圖1 加載電阻回路的火山煙霧形平面天線3 數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果用Ansoft HFSS對(duì)這種結(jié)構(gòu)天線進(jìn)行了數(shù)值分析.在HFSS中設(shè)計(jì)這種天線時(shí)有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：加載電阻可以采用設(shè)置集總電阻加載邊界（Lumped RLC Boundary）條件的方法進(jìn)行設(shè)置，天線的激勵(lì)源采用在共面波導(dǎo)

35、中心導(dǎo)電帶上設(shè)置集總口(Lumped Port )方式進(jìn)行設(shè)置。圖2顯示了HFSS模型圖。在HFSS中，分析了這種天線的饋電處S11參數(shù)，并且比較分析了參數(shù)S11隨加載電阻的大小的變化關(guān)系。圖2 HFSS 中的天線模型數(shù)值分析結(jié)果可知：電阻的總阻值在1-2K歐左右時(shí)，帶寬的低頻端最低，加載電阻的數(shù)值太大（10K歐以上）或太?。◣装贇W以下）都不利于帶寬的低端擴(kuò)展。圖3，圖4給出了幾種電阻加載時(shí)S11的曲線。在電阻加載后，由于電阻的熱損耗，會(huì)減小天線的輻射效率。因此，圖5給出了在HFSS中考查不同電阻加載時(shí)的輻射電場(chǎng)大小，由此可知，加載電阻越大時(shí)輻射的電場(chǎng)越強(qiáng)，因此在選取加載電阻大小時(shí)，就折衷考慮

36、帶寬與輻射效率。圖3 加載電阻時(shí)天線的S11曲線圖4 加載電阻后的S11圖5 不同電阻加載時(shí)天線輻射電場(chǎng)的不同，YZ平面，1GHz實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果：制作了有加載回路和無(wú)加載回去路這兩種天線樣品，天線基板采用FR4材料，介電常數(shù)為4，厚0.8mm，如圖6和圖7。利用安立(Ani)公司的MS4624D網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)測(cè)出了這種天線10MHz9GHz 的S11數(shù)值，圖8給出了沒有加載回路的天線的S11數(shù)值，可知天線低端頻率在0.8GHz左右。加載電阻時(shí)，兩邊六個(gè)加載電阻都為150W，改變頂上電阻R的大小進(jìn)行S11測(cè)試。由于測(cè)出的S11數(shù)值在高于5GHz時(shí)都小于-10dB，因此只取了5GHz以下的數(shù)值進(jìn)行分析

37、。圖6 火山煙霧形天線圖7 加載電阻火山煙霧形平面天線圖8 無(wú)加載回路時(shí)天線的S11測(cè)試值圖9給出了在10MHz5GHz頻段內(nèi)天線三種情況下的S11值：無(wú)環(huán)無(wú)電阻、有環(huán)無(wú)電阻、有環(huán)有電阻。由此可知，加載電阻后，帶寬的低端載止頻率向低頻端擴(kuò)展效果明顯。圖10和圖11比較了幾種加載電阻后S11測(cè)試結(jié)果，顯示了這個(gè)電阻值在2.2kW時(shí)最佳,低頻載止頻率可降低到0.5GHz左右。從圖9中還可看出，在有環(huán)導(dǎo)線，但沒有電阻時(shí)，這時(shí)的環(huán)并沒連通，幾段導(dǎo)線起到寄生耦合作用，S11出現(xiàn)了兩個(gè)大于-10dB的帶阻區(qū)。這與文獻(xiàn)7研究的利用寄生振子實(shí)現(xiàn)帶阻超寬帶天線的結(jié)果相一致。當(dāng)天線上兩邊的六個(gè)加載電阻為1kW時(shí)，頂端的電阻為1kW和7.5kW時(shí)的S11測(cè)試值如圖12所示，可以看出，這時(shí)的帶寬低頻端增大，且出現(xiàn)了帶阻