z size/ mm 0 0 0
4. 508 0 20
图 2 天线的 S11 曲线
图 3 天线的 VSWR 曲线
图 1 天线三维模型
同轴馈电端从接地板的底部穿过 ,切记同轴馈电的 内外导体不能相连 ,否则不但天线不会有正常辐射 ,还 会对测试仪器造成致命的损伤 。介质板的大小已不能 再缩小 ,否则会严重影响天线特性 ,另外接地板的大小 越大越好 。由图 2 ,图 3 可见 , S11 曲线在带内完全能满 足要求在 - 20 dB 以下 。V SWR 在带内也为 1. 5 以下 , 其性能良好 。天线的三维方向图如图 4 所示 。
并且主波束的能量有一部分射到抛物面上反射进 入副反射面再进入接收机 ,还有一部分是直接进入副面
《现代电子技术》2009 年第 15 期总第 302 期
通信与信息技术
再进入接收机 ,这样就带来了很大的误差 。 因此这里换一种方法 ,在实验室中找一个喇叭天线
作为接收 ,直接接收微带天线辐射波束 ,在较近的范围 内手动水平移动接收喇叭 ,观测接收到的信号也可以大 致看出方向图的形状 ,并且由于是水平移动 ,信号幅度 的变化更加明显 ,如图 11 所示 。
关键词 : X 波段微带天线 ;ADS 与 H FSS 软件 ;网络分析仪 ;调试对比 ;卡式天线 中图分类号 : TN82 文献标识码 :A 文章编号 :10042373X(2009) 152104204
Design and Test of Small2scale X2band Microstrip Antenna
4. 2
匹配端微带 13. 8 ,8. 7 ,0. 508
4. 9
同轴馈电端 16. 3 ,9. 6 ,0. 508
接地板
- 20 , - 20 ,0
0. 45 ( radius)
60
辐射边界
- 20 , - 20 ,0
60
y size/ mm 19. 2 0. 6 1. 8 - 0. 45
( radius) 60 60
根据文 献 [ 1 ] 中 矩 形 贴 片 天 线 参 数 的 计 算 方 法
得出 :
Rr
= 90εrε-2r 1
L W
2
式中 : Rr 为辐射电阻 (单位为 :Ω) 。
收稿日期 :2009201221
104
《现代电子技术》2009 年第 15 期总第 302 期
通信与信息技术
频带宽度
=
3. 77εrε-2r
1
Wt
L λ0
,L
= 0. 49λ0 /
εr 。
由于客观条件的限制 ,贴片尺寸不能做得太大 ,通
过计算 L = 91 5 mm , 设 W = 2L 。随着 W 的增大 , 天线
的频带宽度会越来越大 , 由此而带来了许多不利之处 ,
比如宽长比过大 , 会使天线的体积加大 , 成本加大 。另
大平面上同相激励的两个缝隙 ,缝的电场方向与长边垂
直 ,并沿长边 W 均匀分布 。
1. 2 矩形贴片天线尺寸的理论计算
首先选择板材为 Roger s 4003 的介质板 ,介电常数 εr = 3. 38 ,厚度 t = 01 508 mm ,对于所要观测的卫星信 号频 率 为 81 44 ～ 81 46 GHz , 因 此 采 用 中 心 频 率 为 8. 45 GHz ,波长λ0 = 351 5 mm 。
外 , 随着 L / W 的进一步变小 , Rr 会以平方律缩小 ,若 Rr 过小则不利于进行微带线之间的匹配设计 。因此这里
将宽长比设为 2 。 采用从底板穿孔的同轴馈电方法 ,馈电端为 50 Ω
的微带 , 可以从 Transmissio n Line Calculator 软件中 计算得到 50 Ω 微带的长宽 。由上述辐射电阻的计算公 式可得 Rr = 108 Ω ,计算中间转换λ0 / 4 微带线的特性阻
抗 Z = 108 ×50 = 731 5 Ω ,再从 Line Calculator 软件
中计算出该段微带的长与宽 。
1. 3 软件仿真
这里采用 Ansoft 公司的 H FSS 天线仿真软件 。它
是 Ansoft 公司推出的世界上第一个商业化的三维结构
电磁场仿真软件 ,业界公认的三维电磁场设计和分析的
中科院上海天文台佘山 25 m 卡式天线接收信号 , 如 图 9所示 ,用频谱仪观察方向图 。
图 8 实测的 S11 与仿真设计 S11 的比较
图 5 贴片表面电流分布
图 6 加工后的贴片天线
图 9 方向图测试
将微带天线的主波束对准卡式天线馈源 ,匀速缓慢 地转动天线 ,经过 X 波段接收机在频谱仪上显示 。大 致能观测出波束幅度的变化并且主波束为 30 左右 ,与 设计相符 ,如图 10 所 antenna ;ADS and H FSS software ;netwo rk analyzer ;debug cont rast ;Cassegrain antenna
0 引 言
微带天线大致可以分为三种基本类型 :微带贴片天 线 ,微带 行 波 天 线 和 微 带 缝 隙 天 线 。这 里 主 要 介 绍 第一种 。这类天线普遍应用于频率高于 100 M Hz (λ0 < 3 m) 的低轮廓结构 ,通常由一矩形或方形的金属贴 片置于接地平面上一片薄层电介质 (称为基片) 表面所 组成 。其贴片可采用光刻工艺制造 ,使之成本低易于大 量生产 。实际上能计算其辐射特性的图形是有限的 ,如 矩形 、圆形 、椭圆 、五角星 、环形 、三角形 、半圆形等 。面 对众多的天线图形 ,其设计思路及天线特性很多 ,但最 终的目的只有一个 ,就是让天线有更好的辐射特性 ,更 高的效率 ,满足需要的特定的参数性能 。
图 7 网络分析仪的测试结果
将在网络分析仪上观测的 S 参数结果生成 S2 P 文 件 ,导入 ADS 中 ,可以与用 H FSS 仿真的结果对比观 察 ,见图 8 。
2 对天线的方向图进行测试
这里采用在空旷地带 ,用微带天线发射信号 ,采用 106
图 10 方向图在频谱仪上的显示
这里阐述用大型天线测量的弊端 :该抛物面天线只 能做绕轴心转动而不能做水平移动 ,这样在测方向图时 就产生了很大误差 ,只能大致观测到波束幅度的强弱变 化无法详细地观察到主瓣 ,旁瓣等 。
图 4 天线的三维方向图
1. 4 贴片表面电流的理论分析 如图 5 所示 ,从匹配端馈电后转换微带与主贴片交
接处电场强度最大 ,之后分别向两边辐射 ,经历了一个波 谷在主贴片的边缘处强度又缓缓变大 ,因此如果长度做 的适宜并且输入功率加大 ,可产生多波束的微带天线 。 1. 5 成品测试
在仿真后的文件中生成. sat 文件 ,然后导入 Pro2 tell 生成 gerber 文件 ,之后可以拿去厂家直接加工 ,见 图 6 。在焊接馈电端时 ,采用的是可以达到 18 GHz 的
情况 。改变微带天线的形状也可调节辐射特性 ,但分析 起来较为复杂 。
参 考 文 献
1 矩形贴片天线的设计仿真及端口匹配
1. 1 分析微带线辐射原理 典型的矩形贴片天线尺寸 : 长度 L ,宽度 W 和基片
的厚度 t ,可以采用由同轴线在贴片左边缘的中点馈电 。 其左 ,右边缘上的电场水平分量的方向相同 , 同相线极
化辐射以贴片的边射方向最强 ;也可以采用一条微带馈
线加上匹配端的馈电方式 。辐射元 、介质板和接地板视
电子设计工业标准 。对于采用有限元法计算电磁场的
H FSS 来说 ,需要给建立的模型加一个辐射边界 ,这样
才能保证计算收敛 ,因此过大的尺寸会浪费内存与时
间 。根据 上 述 理 论 计 算 的 参 数 来 设 计 天 线 , 出 现 的
S 参数已基本上位于中心频率的周围 ,有一定的频差 ,
并且驻波特性也十分理想 ,因此还要微调贴片长宽及匹
通信设备
李明昊等 :小型 X 波段贴片天线设计 、匹配及测试
小型 X 波段贴片天线设计 、匹配及测试
李明昊 ,李 斌
(中国科学院 上海天文台 上海 200000)
摘 要 :应对接收 X 波段 (81 44～8. 46 GHz) 卫星信号 ,以及小型化的需要 ,设计了同轴侧馈式矩形微带天线 。理论计算 好各参数尺寸后在 H FSS 中建模 ,仿真效果良好 ,在 ADS 中画出电路板生成 GERB ER 文件 ,加工成板子后用网络分析仪进 行调试 ,生成的 S2 P 文件导入 ADS 软件与 H FSS 的仿真图形对比 。最后采用中科院上海天文台佘山 25 m 卡式天线作为接 收天线对方向图进行观测 。
L I Minghao ,L I Bin
(Shanghai Ast ronomical Observato ry ,Chinese Academy of Sciences ,Shanghai ,200000 ,China)
Abstract : To meet t he need of receiving X2band (8. 44～8. 46 GHz) satellite signal and small2scale ,t he design p rocess of co2 axial side2fed rectanglar micro st rip antenna at cent re f requence of 8. 45 GHz is int roduced. Calculating t he parameters in t heo ry and setting up t he model by H FSS. Drawing t he circuit by ADS and creating GERB ER file. And t hen testing t he antenna by Agilent Technologies ,expo rting t he S2 P file and importing it to ADS. Comparing t he test grap h wit h t he grap h of original de2 sign by H FSS. Making use of t he Shao′s 25 met res Cassegrain antenna as t he receiver to o bserve t he antenna beam pattern.