一种改进的大带宽微带天线的设计缪贵玲

1、一种改进的大带宽微带天线的设计Design of a Modified Wide Bandwidth Microstrip Antenna缪贵玲 1 杨昌彦 2Miao Guiling Yang Changyan（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.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 1.514.66GHz 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

3、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）08-0110-06 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

7、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

8、，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

9、，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

10、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（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，

11、C 为光速，f 为天线的中心频率，e 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 L对 S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 S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，

12、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

13、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 1.514.66GHz 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

14、 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（a）f =1.9GHz（b）f =3.9GHz3 天线制作与实测结果为

15、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。（a）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

16、耗产生影响。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

17、带天线的研究与设计J.电子测量技术，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.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