一種高增益扇形微帶貼片天線的設(shè)計(jì)

張睿涵，盧俊

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

一種高增益扇形微帶貼片天線的設(shè)計(jì)

張睿涵，盧俊

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

貼片形狀是影響微帶貼片天線性能的主要因素，通過(guò)仿真設(shè)計(jì)了一種高增益扇形微帶貼片天線。扇形微帶貼片天線采用同軸饋電方式，通過(guò)有限元法對(duì)扇形微帶貼片天線在不同參數(shù)下的性能進(jìn)行對(duì)比研究。仿真結(jié)果表明：扇形微帶貼片天線的諧振頻率、回波損耗等性能參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，天線的回波損耗小于-10dB。通過(guò)對(duì)比扇形微帶貼片天線在不同尺寸下得到的天線增益，可以得出結(jié)論扇形微帶貼片天線最高增益為9.17dB，比普通微帶貼片天線的增益高了約4dB。

扇形微帶貼片天線；高增益；回波損耗

微帶貼片天線的概念首先是由Deschamps于1953年提出來(lái)的，它是在一塊厚度遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)的介質(zhì)基板的一面敷以金屬輻射片、一面全部敷以金屬薄層作接地板而成［1］。輻射片可以根據(jù)不同的要求設(shè)計(jì)成各種形狀。微帶貼片天線由于具有質(zhì)量輕、體積小、易于制造等優(yōu)點(diǎn)［2］，現(xiàn)今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于個(gè)人無(wú)線通信中。

微帶貼片天線的輻射機(jī)理是在貼片與地板之間激勵(lì)起高頻電磁場(chǎng)，并通過(guò)貼片邊沿與地板間的縫隙向空間輻射。輻射場(chǎng)是貼片邊沿與地板間的邊緣場(chǎng)產(chǎn)生的［3］。微帶貼片天線的饋電方式有微帶線側(cè)饋、同軸線底饋、電磁耦合、口徑耦合等［4］。微帶貼片天線已大量用于100MHz～100GHz的寬廣頻域上［5］，包括衛(wèi)星通信、雷達(dá)、遙測(cè)遙控、生物醫(yī)學(xué)、便攜式無(wú)線電設(shè)備等［6］。

1 扇形微帶貼片天線的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的扇形微帶貼片天線是在圓形微帶貼片天線的基礎(chǔ)上改進(jìn)而得到的，微帶貼片天線單元通過(guò)同軸探針從底部進(jìn)行饋電［7］，貼片半徑為a= 9.3mm，參考地邊LD=32mm，介質(zhì)基板邊長(zhǎng)LS= 24mm，高度h=5mm，饋電點(diǎn)距離中心坐標(biāo)的初始距離feed=2mm。扇形微帶貼片天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

2 扇形微帶貼片天線的仿真分析

（1）參數(shù)變化對(duì)回波損耗的影響

采用有限元法對(duì)所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行仿真研究［8］，比較扇形尺寸變化時(shí)對(duì)回波損耗的影響。如圖2所示。

通過(guò)圖2（a）天線頻率的S11參數(shù)掃描曲線，可以看出扇形微帶貼片天線在不同頻率時(shí)的回波損耗［9］，圖2（a）中出現(xiàn)兩個(gè)最低點(diǎn)：當(dāng)中心頻率 f0=12GHz時(shí)回波損耗為-13.98dB；當(dāng)中心頻率 f0=17GHz時(shí)回波損耗為-18.37dB，由此可以得出結(jié)論：扇形微帶貼片天線工作的中心頻率 f0=17GHz時(shí)其回波損耗最小，回波損耗小于-10dB。根據(jù)圖2（b）可以觀察到當(dāng)半徑a從3mm取到15mm時(shí)，與其對(duì)應(yīng)的回波損耗；從圖中可以清晰的看出4號(hào)線當(dāng)a=9.3mm時(shí)，天線的回波損耗最小，其最小值為S11=-18.37dB。根據(jù)圖2（c）中可以觀察到1號(hào)線當(dāng)a=9.3mm，feed=2mm時(shí)，扇形微帶貼片天線的回波損耗最小。

（2）參數(shù)變化對(duì)天線增益的影響

扇形微帶貼片天線的三維增益方向圖［10］如圖3所示。

圖3 天線的三維增益方向圖

從圖3中可以看出，當(dāng)半徑a從3mm增大到9.3mm時(shí)，天線增益在6.97dB～9.17dB之間逐漸增大；當(dāng)半徑a從9.3mm增大到12mm時(shí)，天線增益在9.17dB～7.89dB之間，逐漸減小，所以尺寸的大小可以影響天線的增益。從圖上看可知，當(dāng)a=9.3mm時(shí)，增益效果最好，增益最大值為9.1747dB。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型微帶貼片天線，通過(guò)改變扇形結(jié)構(gòu)參數(shù)達(dá)到提高增益的目的，經(jīng)仿真證實(shí)，天線方向性較強(qiáng)，約有9.17dB的增益，在扇形微帶貼片天線工作頻率為17GHz時(shí)，其回波損耗為S11=-18.37dB＜-10dB。該微帶貼片天線性能良好，研究結(jié)果可為微帶貼片天線在無(wú)線通訊中提供參考和借鑒。

［1］鐘順時(shí).微帶天線理論與技術(shù)（第2版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2015：264-314.

［2］約翰·克勞斯著.（章文勛譯）.天線［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004：8-68.

［3］劉淼.一種新型全向微帶貼片天線的設(shè)計(jì)［J］.無(wú)線電通訊技術(shù)，2015，41（4）：71-73.

［4］丁毅，王光明，蘇文然.一種新型單層單貼片寬帶圓形微帶天線［J］.彈剪與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2007，27（5）：274-276.

［5］Phelan H R.Spiral phase reflectarray for multitarget radar［J］.Micro Wave Journal，1977，20（7）：67-73.

［6］陳健.單頻圓形微帶貼片天線設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（1）：48-51.

［7]車(chē)仁信，廣旗一蘭，常宏銘.E型貼片微帶天線性能分析［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30（6）：96-97.

［8]張鈞，劉克誠(chéng)，張賢峰，等.微帶天線理論與工程［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1988：1-60.

［9]Pradeep Kummar，Jose Luis Masa–Campos.Dual po?larized microstrip patch antennas for ultra–wide–band applications［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2014，56（9）：2174-2178.

［10]王瑤瑤，陳桂波，盧俊，等.一種高增益多頻帶微帶貼片單元的設(shè)計(jì)［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，38（5）：123-126.

Design of a High Gain Fan-shaped Microstrip Patch Antenna

ZHANG Ruihan，LU Jun
（School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

A high gain fan-shaped microstrip patch antenn is designed by simulation with considering the main factor which the patch shape affect the performance of microstrip patch antenna.The coaxial feed way is adopted in fan-shaped microstrip patch an?tenna through the finite element method under different parameters in a fan-shaped microstrip patch antenna performance.The ex?perimental results show that the fan-shaped microstrip patch antenna，the resonant frequency return loss and other performance parameters all meet the design requirements and return loss is less than 10dB of antenna.By comparing the fan-shaped microstrip patch antenna under different size of antenna gain，it can be concluded that the maximum gain of the fan-shaped microstrip patch antenna is 9.17dB and taller than the conventional microstrip patch antenna gain about 4dB.

fan-shaped microstrip patch antenna；high gain；return loss

TN820.1

A

1672-9870（2017）02-0021-03

2016-12-12

張睿涵（1991-），女，碩士研究生，E-mail：178187851@qq.com

盧?。?968-），男，博士，教授，E-mail：junlucc@126.com