一種基于缺陷地結構的小型三角微帶天線

姚佩+張斌珍+段俊萍+孫玉潔

摘 要： 設計一種基于缺陷地結構（DGS）的三角形微帶天線，通過在三角形貼片表面和三角形接地面上分別嵌入冰晶狀槽和DGS實現(xiàn)雙頻操作，同時增加了天線的帶寬，并使用Ansoft HFSS軟件對天線進行仿真，天線覆蓋Wimax 3.5/5.5 GHz兩個頻段，對應的10 dB回波損耗帶寬分別是9.1%（3.36～3.68 GHz）和1.8%（5.45～5.55 GHz）。此外，通過對介質基板的形狀進行比較后發(fā)現(xiàn)，與通常使用的矩形介質基板相比，三角基板具有更好的阻抗帶寬和更小的體積。最后，對天線進行加工和測試，在3.5 GHz和5.5 GHz頻段對應的實測帶寬是8%（3.38～3.66 GHz）和1.6%（5.44～5.53 GHz），測試與仿真結果基本一致。

關鍵詞： 三角形微帶天線； 缺陷地結構； 三角形基板； 雙頻操作； Wimax； 冰晶狀槽

中圖分類號： TN823+.16?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）03?0006?04

Abstract： A triangular microstrip antenna based on defected ground structure （DGS） was designed. The slot in ice crystal shape and DGS are embedded on the surface of the triangular patch and triangular ground connection to realize the dual?frequency operation， which can extend the bandwidth of the antenna. The Ansoft HFSS software is used to simulate the antenna. The antenna covers the frequency bands of Wimax 3.5/5.5 GHz， and their bandwidths corresponding to 10 dB return loss are 9.1% at 3.36～3.68 GHz and 1.8% at 5.45～5.55 GHz respectively. In comparison with the commonly?used rectangular substrate， the triangular substrate has more perfect impedance bandwidth and smaller size. The antenna was processed and tested. At 3.5 GHz and 5.5 GHz frequency bands， the corresponding measured bandwidths is 8% at 3.38～3.66 GHz and 1.6% at 5.44～5.53 GHz， which are consistent with the simulation results.

Keywords： triangular microstrip antenna； DGS； triangular substrate； dual?band operation； Wimax； ice crystal shaped slot

0 引 言

微帶天線[1?2]是在一塊厚度遠小于工作波長的介質基片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；輻射片可以根據(jù)不同的要求設計成各種形狀。微帶天線以其質量輕、體積小、加工簡單、易實現(xiàn)共形等優(yōu)勢獲得了廣泛研究與應用。但微帶天線的不足在于工作頻段窄，表面波損耗嚴重，天線輻射效率低，易產生諧波和雜散波分量，對介質基板的影響敏感，易產生天線性能的變化等。以往的研究[3?5]對于輻射貼片的設計通常使用較為規(guī)則的形狀，如矩形、圓形或方形，相比于這些形狀的輻射貼片，三角形輻射貼片具有體積小、結構緊湊、易于激發(fā)高次諧波等優(yōu)勢[6?7]。微帶天線實現(xiàn)多頻操作的方式有很多，如使用諧振交疊技術的多層微帶貼片天線，加載短路探針或開槽改變天線表面電流路徑等。本文設計的小型三角微帶天線采用在貼片表面開槽的方式增加天線的諧振頻段，步驟簡單易實現(xiàn)。缺陷地結構（Defected Ground Structure，DGS）[8]與傳統(tǒng)的地面結構相比不僅尺寸小、帶寬好，且能夠激發(fā)額外的諧振模式，對于微帶天線性能的優(yōu)化具有重要意義。微帶天線容易產生諧波和雜散波，造成天線性能的降低。缺陷地結構（DGS）通過在微帶天線接地面上蝕刻出缺陷圖形[9?11]，擾亂地面上的傳導電流分布，從而在較寬頻帶內抑制電磁波的傳播，產生較寬的阻抗特性，使之存在截止頻率和諧振頻率，這是對傳統(tǒng)微帶結構的創(chuàng)新，常用的DGS結構有啞鈴型、六邊形、螺旋型等[12]。

微帶天線的帶寬[13?14]一般為2%～5%，無法滿足使用者的要求，本文設計了一種可以增加三角形微帶天線帶寬的方法，將普遍使用的矩形基板替換為與貼片形狀相似的三角形介質基板，經過HFSS建模仿真比較后發(fā)現(xiàn)三角形介質基板[15?17]比矩形基板在帶寬和尺寸上更有優(yōu)勢。

1 基本原理

1.1 天線結構

基于缺陷地的小型三角微帶天線的結構如圖1所示，將邊長為的等邊三角形輻射貼片印在背面有不完整導體接地板的邊長為的三角形介質基板上，基板厚度為=1.6 mm、相對介電常數(shù)為4.4。三角形介質基板與三角形輻射貼片的中心重合。在三角形貼片中心嵌入尺寸為×的冰晶槽，天線采用同軸饋線進行饋電，饋電點在冰晶槽的延長線上。天線的接地面采用缺陷地結構，在冰晶槽的正下方開一個直徑為的正六邊形槽。endprint

1.2 原 理

根據(jù)腔模理論可知貼片表面電位為為貼片到接地板的距離，即貼片下電場為零的點就是貼片的零電位點。TM10主模的零電位軌跡如圖2所示，將TM10模電場分布繞軸旋轉可以得到TM10模的另外兩種電場分布和，三角貼片上的電場是三種電場的總和，三角形輻射貼片上的冰晶狀槽的中心位于貼片主模TM10的零電場點，饋電點在冰晶狀槽的延長線上，隨著饋電位置的改變，各個電場的場強會有變化，對饋電位置進行調整可以獲得理想的諧振點。

冰晶槽的長度會影響貼片表面垂直和水平方向的電流路徑，有文獻中使用十字槽改變貼片表面電流路徑，從而操作天線的各個頻段，且使用冰晶槽延長了各方向上的電流路徑，可以對微帶天線進行多頻段的操作。當增大的值，會使水平方向的表面電流路徑延長，垂直方向的表面電流路徑雖然也會延長，但幅度較小。相反的，減小的長度會使垂直方向上的表面電流路徑明顯縮短，水平方向的電流路徑會小幅度的縮短。

2 實驗結果

冰晶槽長度對天線的影響如圖3所示，3.5 GHz和5.2 GHz頻段的諧振點隨的增大而減小，這是因為的增加延長了冰晶槽的長度，同時，使沿水平方向的表面電流路徑延長，從而使頻率減小。相比于僅在貼片上加載一個矩形槽或是十字槽，加載冰晶槽的優(yōu)勢在于多方向、多角度地改變了表面電流的路徑及分布，使天線在多頻段產生諧振。

DGS的性能是由其結構決定的，結構的改變會使微帶天線的性能產生變化。3.5 GHz時天線接地面表面電流路徑如圖4所示。由圖4可知，在3.5 GHz頻段的諧振點與地面的DGS尺寸大小有關，尺寸的改變會使天線3.5 GHz頻段的性能發(fā)生變化。DGS結構的尺寸對天線性能的影響如圖5所示。由圖5可知，對5.5 GHz頻段的影響并不大，但3.5 GHz頻段頻點隨的增大而增大。

經過綜合考慮及優(yōu)化后，天線最終參數(shù)如表1所示，并對天線進行了加工和測試，圖6給出了天線回波損耗的仿真與實測曲線，實測3.5 GHz和5.5 GHz頻段對應的10 dB帶寬分別為8%（3.38～3.66 GHz）和1.6%（5.44～5.53 GHz），由于測試時的一些干擾因素，仿真與實測結果有差異，但二者基本一致。

三角形微帶天線在3.5 GHz和5.5 GHz頻段的E面和H面仿真結果如圖7所示，三角形微帶天線雖然在體積的小型化上占據(jù)一定的優(yōu)勢，減小了兩側基板的使用面積，但由于介質基板結構的減小也使方向圖的全向性受到了一定程度的影響，但總體上仍能滿足輻射特性的要求。

3 分析與討論

三角形微帶天線對介質基板的改變反應較為敏感，會影響到天線的性能。本文提到的使用與貼片形狀相同的三角形介質基板是經過比較了其他形狀的介質基板性能及結構方面的優(yōu)劣得出的結論。關于使用三角基板對三角形微帶天線帶寬的影響設計了與矩形基板的對照組，二者采用相同的介質基板材質，矩形介質基板（介質基板尺寸為60 mm×50 mm×1.6 mm）的天線1和使用三角形介質基板的天線2，對它們的尺寸以及性能方面進行分析比較。

由體積計算公式可知，使用三角介質基板的天線2的體積約為天線1的顯然使用三角基板的天線結構更為緊湊、小巧，有利于實現(xiàn)天線的小型化。圖8給出了天線1和天線2的回波損耗曲線，經過對比發(fā)現(xiàn)，使用三角介質基板的天線2的阻抗帶寬明顯高于使用矩形介質基板的天線1。 由此可知，使用三角形介質基板的優(yōu)勢在于：形狀與貼片近似，能夠減小側翼的介質基板體積；在減小微帶天線結構尺寸的同時并未影響天線的性能，反而具有三角微帶天線的帶寬特性。

4 結 語

本文設計和測試了一種小型的三角形微帶天線，DGS的應用不僅激發(fā)了諧振頻段，且增加了帶寬。三角介質基板在減小尺寸的同時增加了帶寬，實現(xiàn)了天線的小型化、多頻段和寬帶化。由于天線結構的不對稱和參數(shù)間的相互影響，天線5.5 GHz頻段帶寬較窄，可以通過進一步調節(jié)改善。

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