一種新型的小型化微帶貼片天線設(shè)計(jì)研究

陳 雪 閻元紅 張文梅

（1.太原師范學(xué)院物理系,山西太原 030012;2.山西大學(xué)物理電子工程學(xué)院,山西太原 030006）

一種新型的小型化微帶貼片天線設(shè)計(jì)研究

陳 雪1閻元紅1張文梅2

（1.太原師范學(xué)院物理系,山西太原 030012;2.山西大學(xué)物理電子工程學(xué)院,山西太原 030006）

文章提出了一種新型的小型化微帶貼片天線設(shè)計(jì).天線同時(shí)采用貼片螺旋曲流、加載短路探針和接地板蝕刻縫隙三種小型化方法,使得其尺寸大大減小.研究表明,天線在回波損耗S11＜-10 dB時(shí)的工作帶寬可達(dá)到2.883～2.889 GHz,是一種具有很好理論參考意義與實(shí)用價(jià)值的微帶天線.

小型化微帶天線;短路探針;蝕刻縫隙

0 引言

隨著個(gè)人通信系統(tǒng)的發(fā)展,天線的小型化技術(shù)[1～4]已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究課題.而微帶天線作為一種使用微帶貼片作為輻射元的天線,與普通天線相比,具有剖面低、體積小、重量輕、能與載體共形等優(yōu)點(diǎn).文獻(xiàn)[5～9]提出的幾種微帶天線,雖然獲得較寬的工作帶寬,但體積相對較大,結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜.

考慮到個(gè)人無線通信系統(tǒng)對天線的尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊等具體要求,必須同時(shí)采用幾種小型化技術(shù)才能保證天線的特性.

1 新型小型化微帶天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該天線結(jié)合了貼片曲流、加載短路探針和接地板曲流三種小型化方法,結(jié)構(gòu)如圖1所示.在接地板上刻蝕的矩形縫隙大小為7.83 mm×3.4 mm,貼片尺寸為7.5 mm×3.7 mm（0.102λg×0.05λg）.接地板上開縫,使貼片上電流路徑增長,從而達(dá)到尺寸減小的目的.天線采用微帶線饋電,微帶線寬w1.在饋電端附近有兩個(gè)直徑為0.4 mm的短路探針,采用短路探針可以使諧振頻率降低.從圖1中可以看到貼片兩邊結(jié)構(gòu)對稱,凹槽為螺旋狀結(jié)構(gòu),這種貼片曲流方法同樣可以實(shí)現(xiàn)天線的小型化.

圖1 地板開縫的微帶貼片天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the ground etching microstrip antenna

2 天線性能仿真及測試結(jié)果

由于短路探針對天線特性影響非常敏感,所以調(diào)節(jié)短路探針的位置可以適當(dāng)調(diào)節(jié)諧振頻率.該天線加了兩個(gè)短路探針,和饋電端口之間形成強(qiáng)耦合,等效于加載了一個(gè)電容,進(jìn)行阻抗補(bǔ)償,使得天線在低于原來諧振頻率的位置達(dá)到阻抗匹配.另外,螺旋狀的凹槽破壞了原來共振模式的電流路徑,使天線的共振波長相對變大,而左右對稱的結(jié)構(gòu),可以抑制多次諧振模式的產(chǎn)生,從而提高天線的輻射特性.通過地板開縫的結(jié)構(gòu),在減小天線尺寸的同時(shí),又適當(dāng)展寬了帶寬.三種方法結(jié)合實(shí)現(xiàn)天線尺寸小型化.圖2給出了經(jīng)過電磁仿真軟件Ensemble SV仿真后的該天線的回波損耗特性曲線,輸入反射系數(shù)S11＜-10 dB的阻抗帶寬為2.883～2.889 GHz,頻帶寬度為6 M Hz.

圖2 天線回波損耗特性仿真曲線Fig.2 Simulated return loss of the p roposed antenna

經(jīng)過優(yōu)化仿真,天線的部分尺寸定為:a=7.5 mm,b=2.9 mm,a1=7.83 mm,b1=3.4 mm,w1=1.09 mm,w2=2.8 mm.并且為了和工程應(yīng)用統(tǒng)一,方便集成,采用相對介電常數(shù)為4.4,厚度為1.6 mm的RF4-epoxy介質(zhì)基板.所實(shí)現(xiàn)的天線如圖3所示.

圖3 地板開縫的貼片天線Fig.3 Photo of the ground etching microstrip antenna

圖4 天線回波損耗的測試、仿真結(jié)果比較圖Fig.4 Measured and simulated return loss of the p roposed antenna

天線回波損耗的測試、仿真結(jié)果比較如圖4所示,從圖4中可以看出實(shí)測的天線帶寬比仿真結(jié)果寬,但諧振模式不明顯,而且由于天線尺寸較小且短路探針較為敏感,使得加工出的天線出現(xiàn)阻抗失配,中心頻率偏離了2.88 GHz.所以還需要進(jìn)一步微調(diào)饋電點(diǎn)位置及短路探針的位置.圖5給出天線在頻率2.4 GHz時(shí)的測試與仿真輻射方向圖,由于在仿真時(shí),天線的工作頻率只達(dá)到2.88 GHz,這就導(dǎo)致該天線在2.4 GHz頻率附近的增益較低.

圖5 天線在頻率2.4 GHz時(shí)的測試與仿真輻射方向圖Fig.5 Measured and simulated radiation patterns at 2.4 GHz

3 結(jié)論

本文主要提出了一種新型的小型化微帶貼片天線設(shè)計(jì),該天線同時(shí)采用貼片螺旋曲流、加載短路探針和接地板曲流三種小型化方法,使得天線尺寸大大減小.研究表明,該天線在頻率2.88 GHz處實(shí)現(xiàn)了6 M Hz的工作帶寬.由于該天線尺寸小,結(jié)構(gòu)簡單,便于集成,所以具有較高的理論研究與實(shí)用價(jià)值.

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Design and Study of a Novel Compact M icrostrip Antenna

Chen Xue1Yan Yuanhong1Zhang Wenmei2
（1.Department of Physics,Taiyuan No rmal University,Taiyuan 030012;2.College of Physics and Electronics Engineering,Shanxi University,Taiyuan 030006,China）

A novel compact microstrip antenna is p roposed in this paper.Patch etching,p robe loading and ground etching techniques are used simultaneously,which reduces the dimension of this antenna greatly.The result show s that the bandw idth of the antenna reaches up to 2.883～2.889 GHz with return lossS11＜ -10 dB.This kind of microstrip antenna can be determ ined as a useful candidate for app lication.

compact m icrostrip antenna;sho rt p robe;etching slot

【責(zé)任編輯:王映苗】

1672-2027（2010）02-0077-03

TN 821

A

2010-03-31

陳 雪（1981-）,女,山東德州人,碩士,太原師范學(xué)院物理系助教,主要從事通信與信息系統(tǒng)研究.