一种S波段高增益单极子天线的设计.pdf

第4 1卷 第4期 佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)V o l.4 1N o.4 2 0 2 3 年0 7月 J o u r n a l o f J i a m u s iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)J u l y 2 0 2 3文章编号:1 0 0 8-1 4 0 2(2 0 2 3)0 4-0 0 2 8-0 3一种S波段高增益单极子天线的设计王 旺,吴东升*,平兰兰(安徽建筑大学电子与信息工程学院,安徽 合肥2 3 0 6 0 1)摘 要:针对当前已有微带单极子天线在S波段增益低、尺寸大等缺点,设计和制作了一款应用于S波段的高增益宽带单极子天线。天线尺寸为7 0 mm5 0 mm0.8 mm,采用贴片中间开圆形槽、加载两个矩形寄生单元和接地板切角,改善了阻抗特性和拓展带宽,提高了天线的辐射性能。结果表明,天线的工作频段为1.3 54.0 0 GH z,最大增益为8.5 d B i。该天线加工简单、实用性强、成本低等优点,非常适用于无线通信系统。关键词:S波段;单极子天线;高增益;开槽;缺陷地结构中图分类号:T N 8 2 1+.3 文献标识码:A0 引 言近年来,在无线通信技术的迅猛发展下,S波段的电磁波得到了广泛的应用1-3。蓝牙、雷达、R F I D等均工作于该频段。传统的微带天线虽然具有体积小、结构简单等特点,但是工作的频段较窄4-6。在保持工作频段内微带天线增益的同时提高天线带宽已经成为主要研究方向7-9。因此单极子天线由于超宽带以及集成度高受到广泛关注。目前,扩展微带天线带宽的主要方法有改变天线形状、贴 片 开 槽、阻 抗 匹 配 法、增 加 寄 生 单 元等1 0-1 2。文献 1 3 采用寄生层与圆环贴片结构来扩展带宽,尺寸为1 2 0mm 1 5 0mm 1 1.2mm,天线带宽为0.6 47.0 0GH z,最大增益达到7.5 7d B i。文献 1 4采用对平面单极子天线加载2个L形枝节及在地板上加载倒L形枝节来扩展带宽,天线尺寸为5 0mm5 0mm 0.8mm,阻抗带宽为1.8 85.9 0GH z,最大增益为4.7d B i。文献 1 5 采用在单极子天线顶部开槽和对称分支结构的设计方法,天线尺寸为1 2 5mm1 5mm0.8mm,实测天线带宽为0.8 55GH z,增益在1.66.3 d B i变化。以上超宽带天线存在或者尺寸较大,或者增益较低等的缺点,不能同时满足小型化和高增益的要求。针对上述文献天线的缺点,提出了一种工作于S波段小型化的宽带单极子天线设计方案,该天线的尺寸为7 0 mm5 0 mm0.8 mm,采用微带线馈电,中间开圆形槽和加载两个矩形寄生单元,使天线可以展宽带宽并获得高增益。1 天线结构与设计设计的S波段宽带单极子天线由中间开圆形槽的矩形辐射贴片和两个矩形寄生单元构成。天线通过开圆形槽和在接地板截三角形改善了天线的回波损耗特性;加载对称的寄生单元将改善高频段的阻抗匹配,使天线的增益得到提高。天线结构尺寸如图1所示。为了降低成本,便于加工,天线的介质基板选取了厚度为0.8 mm的R o g e r s 5 8 8 0。天线的宽度W由公式(1)确定:W=c2fr2 -12(1)式(1)中:c为光速;r为相对介电常数;f为天线谐振频率。天线的长度L为:L=c2f e-2 l(2)收稿日期:2 0 2 3-0 4-0 5基金项目:国家自然基金面上项目(6 1 4 7 1 0 0 2);安徽省教育厅高校自然科学研究项目(K J 2 0 2 0 J D 1 1);校级重点实验室项目(2 0 2 0 B I AMC-1)作者简介:王旺(1 9 9 7-),男,安徽阜阳人,硕士,研究方向:天线设计、电磁分析。通讯作者:吴东升(1 9 6 6-),男,安徽铜陵人,教授,研究方向:电磁场数值分析、电磁检测。第4期王 旺,等:一种S波段高增益单极子天线的设计式(2)中:e为有效介电常数;l是等效辐射缝隙长度,它们分别用公式(3),(4)确定:e=r+12+r-121+1 2hW -12(3)l=0.4 1 2h(e+0.3)(Wh+0.2 6 4)e-0.2 5 8)(Wh+0.8)(4)其中h是介质基板厚度。根据计算最终确定天线的尺 寸为7 0 mm5 0 mm0.8 mm,利用A n o s o f tH F S S对天 线长度、天线宽度、寄生单元的长度及宽度、圆形槽的半径、S参数、驻波比和天线增益为优化目标进行优化,优化的参数如表1所示。(a)正面 (b)背面图1 天线模型结构图 表1 天线的尺寸最终值 (单位:mm)W0L0RLL1L2L3W1W2W3LKWKLP5 0 7 0 1 1 3 013 3 2 51281 033 32 天线仿真与测试根据仿真优化结果,通过激光雕刻机制作出天线的实物图如图2所示。天线通过辐射贴片中间开圆形槽并调整其大小有效的改善了天线的回波损耗特性。通过在接地板两侧截三角形,有效的扩宽了带宽;在馈电线两旁加载对称的寄生单元将改善高频段的阻抗匹配,使信号的绝大部分能量辐射出去,使天线的增益得到提高。采用阶梯形微带线使其与辐射贴片之间过渡到平衡状态。图2 天线实物图图3为天线回波损耗图。由图知,回波损耗小于-1 0 d B时天线带宽为1.3 54.0 0 GH z,对应的中心频点分别为1.8 0 GH z,3.3 0 GH z和3.9 0 GH z,仿真与实测基本一致。天线的增益仿真及测试结果如图4所示,天线在1.3 5GH z时的增益为5.2 d B i。天线增益不断提高的同时,并在寄生单元的影响下,天线的辐射性能发生改变,使天线在3.9 0 GH z附近时增益达到最大8.5 d B i。在S波段内天线具有良好的增益特性,且增益保持在5 d B i以上。图3 天线的S 1 1图图4 天线增益图图5为天线驻波比的仿真及测试结果图,由图可知,在整个S波段内天线仿真与实测的驻波比(V SWR)均小于2,实测与仿真结果无较大差别.其中存在的误差可能是在使用H F S S软件仿真的过程中,未考虑S MA接头寄生效应及介电损耗对天线辐射产生的影响。为了改善天线的回波损耗特性,根据天线的初始参数,在保持其他所有参数不变的情况下,利用A n s o f tH F S S1 8.0对圆形槽半径R在91 2 mm进行扫描,天线的回波损耗S1 1如图6所示。由图可知,随着R值的增大,S1 1在低频点处向左移动,带宽有所增加,在3.4 0 GH z附近回波损耗明显改善。图5 天线驻波比92佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2 0 2 3年图6 圆形槽半径R对天线回波损耗的影响图7为天线在不同频率的表面电流分布图。由图7可知,天线在1.8 0 GH z时,电流分布在馈线下部,此时天线能量主要由矩形贴片辐射到外部空间。当天线工作在3.4 0 GH z时,电流主要分布在馈线和贴片两侧。矩形微带馈电线改成阶梯形,此时天线表面电流路径发生改变,使得天线的带宽增加。当天线工作在3.9 0 GH z时,天线高强度电流主要分布在微带馈线底部和两侧的寄生单元,天线通过寄生单元改变电流分布进而提高天线的增益。(a)1.8 0 GH z (b)3.4 0 GH z (c)3.9 0 GH z图7 天线在不同频率的表面电流分布图 图8为天线在1.8 0 G H z,3.4 0 G H z,3.9 0 G H z下仿真方向图。由图可知,天线在1.8 0 G H z和3.4 0 G H z处,E面形状呈“8”字形,表明方向性良好,在3.9 0 G H z处天线的场强减弱,辐射方向图发生畸变。在H面上天线在1.8 0 GH z和3.4 0 GH z处呈现良好的全向性,虽然天线在高频3.9 0 GH z工作时辐射方向图发生畸变呈现不规则的“8”字形,但辐射特性仍满足无线通信系统的要求。(a)1.8 0 GH z (b)3.4 0 GH z (c)3.9 0 GH z图8 天线方向图 最后,将设计的单极子天线与文献1 3-1 5 设计的UWB天线进行参数对比,对比结果如表2所示。设计的单极子天线相对于文献1 3、文献1 5尺寸较小,增益较高;文献1 4 天线尺寸较小,但增益较低,因此设计的天线具有较好的应用前景。表2 本文与文献中天线参数对比文献尺寸/mm增益/d B i1 31 5 01 2 01 0.12.0 07.5 71 45 05 00.83.14.71 51 2 51 50.81.66.3本文5 07 00.85.1 58.53 结 语提出了一款宽带单极子天线,该天线的尺寸为7 0 mm 5 0 mm 0.8 mm,天线的工作频段为1.3 54.0 0 GH z。通过中间开圆形槽的矩形辐射贴片、缺陷地面结构和加载两个矩形寄生单元,使天线可以在工作带宽内获得高增益,天线在未改变尺寸的前提下同时具有良好的辐射特性,可用于无线通信系统。(下转5 2页)03佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2 0 2 3年地解决粒子特效制作复杂问题,保证动画制作的高效性和规范性。参考文献:1 杨涵.三维漫游校园动画的实现J.无线互联科技,2 0 1 6(3):8 1-8 2.2 张婷婷,王文彬.盛世华诞 C 4 D与A E搭配实现三维空间下的粒子特效动画J.影视制作,2 0 2 1,2 7(1):5 1-6 1.3 罗婷,吴泽彬.基于ME L语言的粒子特效动画应用研究J.南京理工大学学报(自然科学版),2 0 1 9,4 3(6):7 3 9-7 4 3.4 贾鹏,孙睦.传统二维动画的新技术应用 美猴王 特效解析J.现代电视技术,2 0 1 1(3):5 6-5 7.C o m p u t e rD i g i t a lT e c h n o l o g yD e s i g no fP a r t i c l eE f f e c t sB a s e do n3 d s m a x3 DA n i m a t i o nL U OZ h e n g y a1,HU ANGL i n g l i n g2(1.S c h o o l o fE l e c t r i c a l a n dI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g,H u n a nI n s t i t u t eo fT r a n s p o r t a t i o nE n g i n e e r i n g,H e n g y a n gH u n a n4 2 1 0 0 1,C h i n a;2.S c h o o l o fT r a n s p o r t a t i o nE n g i n e e r i n g,H u n a nI n s t i t u t eo fT r a n s p o r t a t i o nE n g i n e e r i n g,H e n g y a n gH u n a n4 2 1 0 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t og i v e f u l l p l a y t oa n dm a k eu s eo f t h ea p p l i c a t i o na d v a n t a g e so f 3 d s m a xs o f t-w a r e i n3 Da n i m a t i o np r o d u c t i o n,t h i sp a p e rt a k e s p a r t i c l es p e c i a le f f e c ta n i m a t i o np r o d u c t i o n a sa ne x a m p l e,a c c o r d i n gt oe v e n t-d r i v e n,e v e n t,p a r t i c l ev i e w,p a r t i c l ef l o ws o u r c e.L a u n c h e ra n do t h e rc o n c e p t s,u s i n g3 d s m a x i n t e r n a l s c r i p t l a n g u a g e,c o m p l e t e t h ep r o d u c t i o no f s p e c i a l e f f e c t so ns p l a s h i n gp a r t i c l e s f r o mt h r e e a s p e c t s:b o m b e rd r o p p i n g,h o r i z o n t a l s p r a ya n dv e r t i c a lw a t e r c o l u m n.T h e n,f r o mt h e f o u r a s p e c t s o f s i m u l a t o r c r e a t i o na n ds e t u p,c r e a t i o no f p a r t i c l e f l o we v e n t s,b o m b t h r o w i n ge v e n t s,a n dh o r i z o n t a l s p r a yg e n e r a t i o n,c o m p l e t et h ep r e p a r a t i o no fs c r i p tp a r t i c l es p e c i a le f f e c t s.Ih o p et h a tt h i ss t u d yc a np r o v i d ee f f e c t i v er e f e r e n c e f o r r e l e v a n tp e r s o n n e l.K e yw o r d s:3 d s m a xs o f t w a r e;t h r e e-d i m e n s i o n a l a n i m a t i o n;p a r t i c l es p e c i a l e f f e c t s;e v e n t;l i f ec y c l e(上接3 0页)参考文献:1 S e u n g y o n gP a r k,K y u n gY o u n g J u n g.D e s i g no f aC i r c u l a r l y-P o l a r i z e dUHFA n t e n n af o rP a r t i a lD i s c h a r g eD e t e c t i o nJ.I E E EA c c e s s,2 0 2 0,8:8 1 6 4 4-8 1 6 5 0.2 汤炜,袁良昊,谢姣皎.超薄高增益UH F抗金属标签天线设计J.微波学报,2 0 1 7,3 3(0 6):1 2-1 6.3 杨竟松,金杰.具有带阻特性的可穿戴超宽带单极子天线的研究J.南开大学学报(自然科学版),2 0 2 0,5 3(0 3):2 1-2 4.4 M aZH,J i a n gYF.L-s h a p e ds l o t-l o a d e ds t e p p e d-i m p e d-a n c em i c r o s t r i ps t r u c t u r eUWBa n t e n n aJ.M i c r o m a c h i n e s,2 0 2 0,1 1(9):8 2 8.5 A b b a sA,H u s s a i nN,J e o n gMJ,e t a l.AR e c t a n g u l a rn o t c h-b a n d UWBa n t e n n aw i t hc o n t r o l l a b l en o t c h e db a n d w i d t ha n dc e n t r e f r e q u e n c yJ.S e n s o r s,2 0 2 0,2 0(3):7 7 7.6 L u oS,C h e nYQ,W a n gD,e t a l.Am o n o p o l eUWBa n t e n n aw i t hs e x t u p l eb a n d-n o t c h e db a s e do nS R R sa n dU-s h a p e dp a r a s i t i cs t r i p sJ.A E U-I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo fE l e c t r o n-i c sa n dC o mm u n i c a t i o n s,2 0 2 0(1 2 0):1 5 3 2 0 6.7 S h a r m a A p o o r v a,K a m p i a n a k i sE l e f t h e r i o s,R e y n o l d s M a t-t h e wS.C o r r e c t i o n s t o AD u a l-B a n dH Fa n dUH FA n-t e n n aS y s t e mf o rI m p l a n t e dN e u r a lR e c o r d i n ga n dS t i m u l a-t i o nD e v i c e s”J.I E E EA n t e n n a s a n dW i r e l e s sP r o p a g a t i o nL e t t e r s,2 0 1 8,1 7(4):4 9 3-4 9 6.8 D e v a n aV.N.K.R.,R a oA.M.An o v e lc o m p a c tt r ib a n dn o t c h e dUWB m o n o p o l ea n t e n n aJ.P r o g r e s sI nE l e c t r o-m a g n e t i c sR e s e a r c hM,2 0 2 0,9 1:1 2 3-1 3 4.9 王兵,魏彦玉.一种超宽带地板开槽单极子天线的设计J.太赫兹科学与电子信息学报,2 0 1 9,1 7(0 5):8 3 2-8 3 5.1 0 杨明,孙玉发.一种新型小型化十一频段手机天线设计J.西安电子科技大学学报,2 0 1 8,4 5(0 2):1 1 6-1 2 1.1 1 汪善栋.宽频带高增益印刷八木天线设计D.合肥:安徽大学,2 0 1 8.1 2 侯翔宇,张兴红,刘淼源.新型超宽带微带单极子天线的设计J.压电与声光,2 0 2 1,4 3(0 2):1 9 7-2 0 0.1 3 秦艺菲,王豫,严仲明,等.一种紧凑型超宽带UH F天线设计J.压电与声光,2 0 2 1,4 3(2):1 9 2-1 9 6.1 4 张志文,徐艳红,周梦丽,等.矿用多频段微带天线设计J.工矿自动化,2 0 2 2,4 8(7):1 2 5-1 2 9.1 5 吕慧,辛政辉,禹忠.新型5 G终端全频段高增益天线J.西安邮电大学学报,2 0 2 1,2 6(5):4 2-4 6.D e s i g no faS-b a n dH i g hG a i nM o n o p o l eA n t e n n aWANG W a n g,WUD o n g s h e n g,P I NGL a n l a n(S c h o o l o fE l e c t r o n i ca n dI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g,A n h u i J i a n z h uU n i v e r s i t y,H e f e i 2 3 0 6 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h es h o r t c o m i n g so fe x i s t i n gm i c r o s t r i pm o n o p o l ea n t e n n a ss u c ha s l o wg a i na n dl a r g e s i z e i nS-b a n d,t h i sp a p e r d e s i g n s a n dm a n u f a c t u r e s ah i g h-g a i nw i d e b a n dm o n o p o l e a n t e n n aa p p l i e dt oS-b a n d.T h ea n t e n n as i z e i s7 0 mm5 0 mm0.8 mm,a n dt h ec i r c u l a rg r o o v e i nt h em i d d l eo f t h ep a t c h i s l o a d e d,t w or e c t a n g u l a rp a r a s i t i cu n i t sa r e l o a d e da n dt h ec u t t i n ga n g l eo f t h eg r o u n di su s e d,w h i c h i m p r o v e s t h e i m p e d a n c e c h a r a c t e r i s t i c s a n de x t e n d e db a n d w i d t h,a n d i m p r o v e s t h e r a d i a t i o np e r f o r m a n c eo f t h ea n t e n n a.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h ew o r k i n g f r e q u e n c yb a n do f t h e a n t e n n a i s 1.3 54.0 0 GH z,a n dt h em a x i m u m g a i ni s8.5 d B i.T h ea n t e n n ah a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l ep r o c e s s i n g,s t r o n gp r a c t i c a l i t ya n d l o wc o s t,a n d i sv e r ys u i t a b l e f o rw i r e l e s sc o mm u n i c a t i o ns y s t e m s.K e yw o r d s:S-b a n d;m o n o p o l ea n t e n n a;h i g hg a i n;g r o o v i n g;d e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e25