一種改進的大帶寬微帶天線的設計繆貴玲

1、一種改進的大帶寬微帶天線的設計Design of a Modified Wide Bandwidth Microstrip Antenna繆貴玲 1 楊昌彥 2Miao Guiling Yang Changyan（1.鷹潭職業(yè)技術(shù)學院教育系，江西 鷹潭 335000；2.江西廣播電視大學鷹潭分校，江西 鷹潭 335000）（1.Department of Education，Yingtan Vocational and Technical College，Jiangxi Yingtan 335000；（2.Yingtan Campus，Jiangxi Radio and Television

2、University，Jiangxi Yingtan 335000）摘 要：本文設計了一種改進的大帶寬的微帶天線。該天線采用相對介電常數(shù)接近于空氣的泡沫介質(zhì) 層；通過在介質(zhì)基片上開長方體槽，減小了饋電探針的長度，從而減小了探針電感對輸入阻抗的影響，并且在 貼片與接地板之間引入短路面，相當于在天線貼片與接地板之間形成了一個電壁，能夠降低天線的諧振頻 率，從而可以減小天線的尺寸、展寬天線帶寬；短路面的使用也減小了天線的尺寸。HFSS 仿真結(jié)果表明，當 回波損耗 S11<-10dB 時，天線覆蓋了 1.514.66GHz 的頻率范圍，相對帶寬達到了 102.1%，該天線結(jié)構(gòu)簡單， 性能良好。關(guān)

3、鍵詞：微帶天線；大帶寬；短路面；泡沫介質(zhì)層；HFSS；同軸饋電中圖分類號：TN82文獻標識碼：A文章編號：1671-4792（2015）08-0110-06 Abstract：This paper designs a modified wide bandwidth microstrip antenna. The antenna uses foam dielec-tric layer whose relative permittivity is close to the air. By opening a cuboid groove on the dielectric substrate, an

4、d reducing the length of the feeding probe, we can reduce the probe inductance's effect to the input impedance. And by introducing a short road between the patch and ground plate, which is equivalent to forming an electrical wall between the antenna patch and the ground plate, we can reduce the

5、resonant frequency of the antenna, which can reduce the size and broaden the bandwidth of the antenna. HFSS simulation results show that when the return loss S11<-10dB, the antenna covers the frequency range from 1.51GHz to 4.66GHz, with relative bandwidth reaching 102.1%. The antenna has good pe

6、rformance and simple structure.Keywords：Microstrip Antenna；Wide Bandwidth；Shorting Wall；Foam Dielectric Layer；HFSS；CoaxialFeed 0 引言微帶天線一般應用于 1GHz 50GHz，特殊的 微帶天線也可用于幾十兆赫茲，因其具有體積小、重 量輕、剖面低、易與載體共形等優(yōu)點而得到廣泛應 用。但頻帶窄一直是微帶天線的主要缺點之一，為了 展寬微帶天線的工作帶寬，人們研究了多種方法：降 低天線等效諧振電路的 Q 值，如增大介質(zhì)基板的厚度、降低介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)；增大輻射貼片的寬長

7、比；附加阻抗匹配網(wǎng)絡；采用楔形或者階梯形基 板；采用附加無源貼片；采用多層結(jié)構(gòu)等1。一般情 況下，可以靈活采用多種展寬帶寬的方法來達到設 計所要求的帶寬。采用相對介電常數(shù)較低的介質(zhì)基板和增加基板 的厚度是常用的增加微帶天線帶寬的方法。文獻2和3中都采用了厚的空氣介質(zhì)層和縮短饋電探針的方法來展寬帶寬，相對帶寬分別達到了 66%和 75.5%；文獻4同樣采用較厚的空氣介質(zhì)層來展寬 帶寬；文獻5中采用厚的空氣介質(zhì)層和容性饋電的 方法來提高天線的帶寬，使天線的相對帶寬達到了 47.3%；文獻6采用低介電常數(shù)的介質(zhì)基板和空氣 介質(zhì)層設計了一種寬頻微帶天線，通過在介質(zhì)基片 上開長方體槽，減小饋電探針的長度

8、，從而減小探針 電感對輸入阻抗的影響，并且在貼片與接地板之間 引入短路面，相當于在天線貼片與接地板之間形成 了一個電壁，能夠降低天線的諧振頻率，從而可以減 小天線的尺寸，從而展寬了天線帶寬，相對帶寬為 23.7%。本文在文獻 2 的基礎上設計了一種當 S11<-10dB 時相對帶寬達到 102.1%的微帶天線，覆 蓋了 1.51 4.66GHz 的頻率范圍。1 天線結(jié)構(gòu)微帶天線阻抗頻帶窄的根本原因在于它是一種 諧振式天線，它的諧振特性猶如一個高 Q 并聯(lián)諧振 電路。展寬頻帶的基本途徑是降低等效諧振電路的 Q 值，即增大介質(zhì)基板的厚度，降低介質(zhì)基板的相對 介電常數(shù)等1。為了獲得大的天線帶寬

9、，本文中天線 的介質(zhì)層采用相對介電常數(shù)接近于空氣的泡沫介 質(zhì)，同時泡沫介質(zhì)能起到固定和支撐天線結(jié)構(gòu)的作 用。為了得到足夠大的帶寬，介質(zhì)層的厚度比較大。 但厚度的增加在展寬帶寬的同時，使得饋電探針的 長度也增長，這導致引入的探針電感增加，當天線的 厚度超過一定限度時將造成阻抗失配，反而不利于 帶寬的展寬。針對這一問題，為了在增加基板厚度 的同時不增加饋電探針的長度，將天線的結(jié)構(gòu)設計 為圖一所示。在介質(zhì)基板上開出一個長 L2、寬 S、高 h 的長一 種 改 進 的 大 帶 寬 微 帶 天 線 的 設 計圖一 天線的俯視圖和側(cè)視圖方體槽，饋電探針通過長方體槽的頂端向輻射貼片 饋電，其長度為 t。在保

10、持饋電探針長度不變的情況 下，可以大大增加介質(zhì)基板的厚度，這樣既可以使探 針的引入電感不增加，又可以增加天線的帶寬。介質(zhì) 基板的長為 Lg，寬為 Wg；輻射貼片的長為 L，寬為 W；饋電點在貼片的中心，距貼片下邊 L1 處。天線 采用 50 同軸線饋電。2 天線的仿真天線是一個有機的整體，其各個參數(shù)都是相互 聯(lián)系的，其中參數(shù) h 是影響天線帶寬的關(guān)鍵所在，當 h=0 時即為普通的簡單微帶天線。在選取了合適的 介質(zhì)基片后，可以根據(jù)以下公式計算出矩形微帶天 線的基本尺寸1，7-9：（1）（2）111（3）（4）天線的阻抗特性影響不大，尤其是隨著頻率的增加，寬度的增加反而減小了天線的阻抗帶寬。式中，

11、C 為光速，f 為天線的中心頻率，e 為有效介電常數(shù)，L 是等效輻射縫隙長度，w、L 為輻射 貼片的寬度和長度?？梢杂上率浇朴嬎愠鲚斎胱杩篂?50 時饋電 點離坐標原點的距離：（5）（6）通過參數(shù) L2 的掃描和優(yōu)化，長方體槽的尺寸對 天線阻抗特性影響如圖二所示，長方體槽較小時，其 輻射的能量相對較小，天線的帶寬相對較小，隨著長 方體槽的增大，天線的阻抗帶寬增加。圖二 L對 S的影響通過參數(shù) S 的掃描和優(yōu)化，長方體槽的尺寸對 天線阻抗特性影響如圖三所示，長方體槽的寬度對圖三 S 對 S的影響根據(jù)以上公式，并參照文獻2中的參數(shù)，經(jīng)過大 量的仿真研究，確定天線的初始尺寸為：Lg=170mm，

12、Wg=160mm，L=56mm，W=56mm，L1=14.8mm，L2= 83mm，S=9mm，h=17mm，t=5mm。通過 Ansoft 公司 開發(fā)的基于電磁場有限元法的全波三維電磁仿真軟 件 HFSS13.0 對其模型進行仿真分析，求出天線的 回波損耗 S11 與頻率 f 的關(guān)系如圖二所示。從圖四中 可以看出， 當 S11<-10dB 時，天線覆蓋了 1.8 4.06GHz 的頻率范圍，相對帶寬達到了 77.13%。 與 文獻2中的天線相比，帶寬有了一定程度的展寬。圖四 天線的回波損耗為了進一步改善天線的性能，在輻射貼片 AB邊處增加寬為 W、高為 h+t 的短路面。在貼片與接 地

13、板之間引入短路面，相當于在天線貼片與接地板 之間形成了一個電壁，能夠降低天線的諧振頻率，從 而減小天線的尺寸。在經(jīng)過大量的仿真研究之后， 確定最終的天線尺寸為：Lg=140mm，Wg=130mm， L=46mm，W=56mm，L1=9.8mm，L2=63mm，S=9mm， h=15mm，t=4.5mm。經(jīng) HFSS 仿真后，天線的回波損 耗 S11 與頻率 f 的關(guān)系如圖三所示。從圖五中可以看 出，改進后的天線頻帶進一步展寬，當 S11<-10dB 時，覆蓋了 1.514.66GHz 的頻率范圍，相對帶寬達 到了 102.1%，同時阻抗匹配程度也有了進一步的改 善。一 種 改 進 的 大

14、 帶 寬 微 帶 天 線 的 設 計（a）f =1.9GHz（b）f =3.9GHz圖五 改進后天線的回波損耗天線的阻抗帶寬不足以說明天線的性能，該天線在實現(xiàn)超寬帶性能的同時，具有對稱的方向圖和 良好的增益。天線的輻射方向圖如圖六、圖七所示。 在 1.9GHz 諧振頻點，最大輻射方向與輻射貼片的 法線方向的夾角為 41°，增益為 4.27dB；在 3.9GHz 諧振頻點，最大輻射方向與輻射貼片的法線方向的 夾角為 29°，增益為 6.48dB。（c）f =5.5GHz圖六 天線在 H 平面的方向圖113（a）f =1.9GHz（b）f =3.9GHz3 天線制作與實測結(jié)果為

15、了驗證所設計的天線的實用性和有效性，利用 HFSS 對所設計的天線進行了綜合優(yōu)化，優(yōu)化后的尺 寸為：Lg=140mm，Wg=130mm，L=46mm，W=56mm， L1=9.8mm，L2=63mm，S=9mm，h=15mm，t=4.5mm。 根據(jù)優(yōu)化后得到的尺寸，對該天線進行實際加工和 測試，并利用 AV3620 矢量網(wǎng)絡分析儀對天線實物 進行測試，實物圖和測試的反射系數(shù)如圖八所示。（a）圖八 天線實物和實測回波損耗（c）f =5.5GHz圖七 天線在 E 平面的方向圖從圖五和圖八中可以看出，實測值與仿真曲線有些偏差，主要是由加工誤差所引起，此外，SMA 接 頭以及焊錫的散射效應也會對回波損

16、耗產(chǎn)生影響。該天線基本上能夠滿足微波通信的要求。4 結(jié)束語本文通過在介質(zhì)基片上開長方體槽和加載短路 面的方式，設計了一種大帶寬微帶天線。文中給出了 天線的詳細結(jié)構(gòu)和設計過程，通過電磁仿真軟件 HFSS13.0 的優(yōu)化設計，天線的相對帶寬達到了 102.1%，具有大帶寬的特性，同時具有較好的增益。 該天線結(jié)構(gòu)簡單，性能良好，具有一定的參考價值。參考文獻1鐘順時.微帶天線理論與應用M.西安：西安 電子科技大學出版社，1991.2王揚智，張麟兮，韋高.基于 HFSS 新型寬頻 帶微帶天線仿真設計J.系統(tǒng)仿真學報，2007，19（11）：2603-2606.3沈楠，郭陳江，胡楚鋒.一種大帶寬高增益微

17、帶天線的研究與設計J.電子測量技術(shù)，2007，30（01）： 49-51.4Wu Tingqiang，Su Hua，Gan Liyun，et al.A compact and broadband microstrip stacked patch antenna with circular polarization for 2.45-GHz mobileRFID reader J.IEEE Antennas and Wireless Propaga-一tion Letters，2013，（12）：623-626.種 改5郭戈，邵建興.一種容性饋電寬帶微帶天線的進的設計與分析J.電訊技術(shù)，2010，50（06）：80-83.大帶6王