一种改进的大带宽微带天线的设计_缪贵玲

科技广场2015.8110DOI:10.13838/j.cnki.kjgc.2015.08.023DesignofaModifiedWideBandwidthMicrostripAntenna缪贵玲1杨昌彦2MiaoGuilingYangChangyan（1.鹰潭职业技术学院教育系，江西鹰潭335000；2.江西广播电视大学鹰潭分校，江西鹰潭335000）（1.DepartmentofEducation，YingtanVocationalandTechnicalCollege，JiangxiYingtan335000；（2.YingtanCampus，JiangxiRadioandTelevisionUniversity，JiangxiYingtan335000）摘要：本文设计了一种改进的大带宽的微带天线。该天线采用相对介电常数接近于空气的泡沫介质层；通过在介质基片上开长方体槽，减小了馈电探针的长度，从而减小了探针电感对输入阻抗的影响，并且在贴片与接地板之间引入短路面，相当于在天线贴片与接地板之间形成了一个电壁，能够降低天线的谐振频率，从而可以减小天线的尺寸、展宽天线带宽；短路面的使用也减小了天线的尺寸。HFSS仿真结果表明，当回波损耗S11-10dB时，天线覆盖了1.51～4.66GHz的频率范围，相对带宽达到了102.1%，该天线结构简单，性能良好。关键词：微带天线；大带宽；短路面；泡沫介质层；HFSS；同轴馈电中图分类号：TN82文献标识码：A文章编号：1671-4792（2015）08-0110-06Abstract：Thispaperdesignsamodifiedwidebandwidthmicrostripantenna.Theantennausesfoamdielec-triclayerwhoserelativepermittivityisclosetotheair.Byopeningacuboidgrooveonthedielectricsubstrate,andreducingthelengthofthefeedingprobe,wecanreducetheprobeinductance'seffecttotheinputimpedance.Andbyintroducingashortroadbetweenthepatchandgroundplate,whichisequivalenttoforminganelectricalwallbetweentheantennapatchandthegroundplate,wecanreducetheresonantfrequencyoftheantenna,whichcanreducethesizeandbroadenthebandwidthoftheantenna.HFSSsimulationresultsshowthatwhenthereturnlossS11-10dB,theantennacoversthefrequencyrangefrom1.51GHzto4.66GHz,withrelativebandwidthreaching102.1%.Theantennahasgoodperformanceandsimplestructure.Keywords：MicrostripAntenna；WideBandwidth；ShortingWall；FoamDielectricLayer；HFSS；CoaxialFeed0引言微带天线一般应用于1GHz～50GHz，特殊的微带天线也可用于几十兆赫兹，因其具有体积小、重量轻、剖面低、易与载体共形等优点而得到广泛应用。但频带窄一直是微带天线的主要缺点之一，为了展宽微带天线的工作带宽，人们研究了多种方法：降低天线等效谐振电路的Q值，如增大介质基板的厚度、降低介质基板的相对介电常数；增大辐射贴片的宽长比；附加阻抗匹配网络；采用楔形或者阶梯形基板；采用附加无源贴片；采用多层结构等[1]。一般情况下，可以灵活采用多种展宽带宽的方法来达到设计所要求的带宽。采用相对介电常数较低的介质基板和增加基板的厚度是常用的增加微带天线带宽的方法。文献[2]一种改进的大带宽微带天线的设计和[3]中都采用了厚的空气介质层和缩短馈电探针的方法来展宽带宽，相对带宽分别达到了66%和75.5%；文献[4]同样采用较厚的空气介质层来展宽带宽；文献[5]中采用厚的空气介质层和容性馈电的方法来提高天线的带宽，使天线的相对带宽达到了47.3%；文献[6]采用低介电常数的介质基板和空气介质层设计了一种宽频微带天线，通过在介质基片上开长方体槽，减小馈电探针的长度，从而减小探针电感对输入阻抗的影响，并且在贴片与接地板之间引入短路面，相当于在天线贴片与接地板之间形成了一个电壁，能够降低天线的谐振频率，从而可以减小天线的尺寸，从而展宽了天线带宽，相对带宽为23.7%。本文在文献[2]的基础上设计了一种当S11-10dB时相对带宽达到102.1%的微带天线，覆盖了1.51～4.66GHz的频率范围。1天线结构微带天线阻抗频带窄的根本原因在于它是一种谐振式天线，它的谐振特性犹如一个高Q并联谐振电路。展宽频带的基本途径是降低等效谐振电路的Q值，即增大介质基板的厚度，降低介质基板的相对介电常数等[1]。为了获得大的天线带宽，本文中天线的介质层采用相对介电常数接近于空气的泡沫介质，同时泡沫介质能起到固定和支撑天线结构的作用。为了得到足够大的带宽，介质层的厚度比较大。但厚度的增加在展宽带宽的同时，使得馈电探针的长度也增长，这导致引入的探针电感增加，当天线的厚度超过一定限度时将造成阻抗失配，反而不利于带宽的展宽。针对这一问题，为了在增加基板厚度的同时不增加馈电探针的长度，将天线的结构设计为图一所示。在介质基板上开出一个长L2、宽S、高h的长一种改进的大带宽微带天线的设计图一天线的俯视图和侧视图方体槽，馈电探针通过长方体槽的顶端向辐射贴片馈电，其长度为t。在保持馈电探针长度不变的情况下，可以大大增加介质基板的厚度，这样既可以使探针的引入电感不增加，又可以增加天线的带宽。介质基板的长为Lg，宽为Wg；辐射贴片的长为L，宽为W；馈电点在贴片的中心，距贴片下边L1处。天线采用50同轴线馈电。2天线的仿真天线是一个有机的整体，其各个参数都是相互联系的，其中参数h是影响天线带宽的关键所在，当h=0时即为普通的简单微带天线。在选取了合适的介质基片后，可以根据以下公式计算出矩形微带天线的基本尺寸[1，7-9]：（1）（2）111科技广场2015.8112（3）（4）天线的阻抗特性影响不大，尤其是随着频率的增加，宽度的增加反而减小了天线的阻抗带宽。式中，C为光速，f为天线的中心频率，εe为有效介电常数，△L是等效辐射缝隙长度，w、L为辐射贴片的宽度和长度。可以由下式近似计算出输入阻抗为50时馈电点离坐标原点的距离：（5）（6）通过参数L2的扫描和优化，长方体槽的尺寸对天线阻抗特性影响如图二所示，长方体槽较小时，其辐射的能量相对较小，天线的带宽相对较小，随着长方体槽的增大，天线的阻抗带宽增加。图二L2对S11的影响通过参数S的扫描和优化，长方体槽的尺寸对天线阻抗特性影响如图三所示，长方体槽的宽度对图三S对S11的影响根据以上公式，并参照文献[2]中的参数，经过大量的仿真研究，确定天线的初始尺寸为：Lg=170mm，Wg=160mm，L=56mm，W=56mm，L1=14.8mm，L2=83mm，S=9mm，h=17mm，t=5mm。通过Ansoft公司开发的基于电磁场有限元法的全波三维电磁仿真软件HFSS13.0对其模型进行仿真分析，求出天线的回波损耗S11与频率f的关系如图二所示。从图四中可以看出，当S11-10dB时，天线覆盖了1.8～4.06GHz的频率范围，相对带宽达到了77.13%。与文献[2]中的天线相比，带宽有了一定程度的展宽。图四天线的回波损耗为了进一步改善天线的性能，在辐射贴片AB边处增加宽为W、高为h+t的短路面。在贴片与接地板之间引入短路面，相当于在天线贴片与接地板之间形成了一个电壁，能够降低天线的谐振频率，从而减小天线的尺寸。在经过大量的仿真研究之后，确定最终的天线尺寸为：Lg=140mm，Wg=130mm，L=46mm，W=56mm，L1=9.8mm，L2=63mm，S=9mm，h=15mm，t=4.5mm。经HFSS仿真后，天线的回波损耗S11与频率f的关系如图三所示。从图五中可以看出，改进后的天线频带进一步展宽，当S11-10dB时，覆盖了1.51～4.66GHz的频率范围，相对带宽达到了102.1%，同时阻抗匹配程度也有了进一步的改善。一种改进的大带宽微带天线的设计（a）f=1.9GHz（b）f=3.9GHz图五改进后天线的回波损耗天线的阻抗带宽不足以说明天线的性能，该天线在实现超宽带性能的同时，具有对称的方向图和良好的增益。天线的辐射方向图如图六、图七所示。在1.9GHz谐振频点，最大辐射方向与辐射贴片的法线方向的夹角为41°，增益为4.27dB；在3.9GHz谐振频点，最大辐射方向与辐射贴片的法线方向的夹角为29°，增益为6.48dB。（c）f=5.5GHz图六天线在H平面的方向图113科技广场2015.8114（a）f=1.9GHz（b）f=3.9GHz3天线制作与实测结果为了验证所设计的天线的实用性和有效性，利用HFSS对所设计的天线进行了综合优化，优化后的尺寸为：Lg=140mm，Wg=130mm，L=46mm，W=56mm，L1=9.8mm，L2=63mm，S=9mm，h=15mm，t=4.5mm。根据优化后得到的尺寸，对该天线进行实际加工和测试，并利用AV3620矢量网络分析仪对天线实物进行测试，实物图和测试的反射系数如图八所示。图八天线实物和实测回波损耗（c）f=5.5GHz图七天线在E平面的方向图从图五和图八中可以看出，实测值与仿真曲线有些偏差，主要是由加工误差所引起，此外，SMA接头以及焊锡的散射效应也会对回波损耗产生影响。（a）该天线基本上能够满足微波通信的要求。4结束语本文通过在介质基片上开长方体槽和加载短路面的方式，设计了一种大带宽微带天线。文中给出了天线的详细结构和设计过程，通过电磁仿真软件HFSS13.0的优化设计，天线的相对带宽达到了102.1%，具有大带宽的特性，同时具有较好的增益。该天线结构简单，性能良好，具有一定的参考价值。参考文献[1]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1991.[2]王扬智，张麟兮，韦高.基于HFSS新型宽频带微带天线仿真设计[J].系统仿真学报，2007，19（11）：2603-2606.[3]沈楠，郭陈江，胡楚锋.一种大带宽高增益微带天线的研究与设计[J].电子测量技术，2007，30（01）：49-51.[4]WuTingqiang，SuHua，GanLiyun，etal.Acompactandbroadbandmicrostripstackedpatchantennawithcircularpolarizationfor2.45-GHzmobileRFIDreader[J].IEEEAntennasandWirelessPropaga-一tionLetters，2013，（12）：623-626.种改[5]郭戈，邵建兴.一种容性馈电宽带微带天线的进的设计与分析[J].电讯技术，2010，50（06）：80-83.大带[6]王浩，史小卫，刘淑芳，等.一种宽频高增益的宽微Ku波段微带天线设计[J].微波学报，2012，28（05）：带天44-47.线的[7]曹合适，张斌珍，赵龙.基于HFSS的多频微设计带天线分析与设计[J].电子元件与材料，2015，（06）：53-56.[8]张莉，赵军军，王善进.手持RFID读写器微带天线的小型化设计[J].电子器件，2012，（04）：379-382.[9]高健，曹卫平，李思敏.宽带平板天线的设计与仿真[J].电子器