一種新型寬頻雙頻段微帶天線設(shè)計(jì)與仿真

張鵬 丑修建 王二偉 劉立

摘 要： 提出一種新型的寬頻微帶天線，將天線結(jié)構(gòu)印制于玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂基板上，借助電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13.0進(jìn)行仿真，該天線包含2.7～5.39 GHz，6.39～10.5 GHz兩個(gè)寬頻段，相對(duì)帶寬分別為67%和49%，低頻段可應(yīng)用于WLAN，高頻段可以應(yīng)用于X波段的通信。給出了反射系數(shù)[S11、]輻射方向圖和表面電流分布的仿真結(jié)果，分析了參數(shù)[R1，O，C]和[K]對(duì)回波損耗及帶寬的影響，該設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 寬頻帶； 雙頻段； HFSS； 微帶天線； PCB天線； 回波損耗

中圖分類號(hào)： TN82?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）07?0021?03

Design and simulation of a novel broadband dual?band microstrip antenna

ZHANG Peng， CHOU Xiujian， WANG Erwei， LIU Li

（MOE Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： A novel broadband dual?band microstrip antenna is presented in this paper. This antenna structure is printed on a fiber glass epoxy resin substrate， and simulated by means of electromagnetic simulation software Ansoft HFSS 13.0. The antenna includes the bandwidths of 2.7～5.39 GHz and 6.39～10.5 GHz， and their relative bandwidths are 67% and 49% respectively. The low?frequency band can be applied to WLAN， and the high?frequency band can be applied to the communication of X?band. The reflection coefficient [S11，] and the simulation results of radiation pattern and surface current distribution are given. The influence of parameter [R1，O，C] and [K] on the return loss and bandwidth is analyzed. This design has a certain reference value.

Keywords： broadband； dual?band； HFSS； microstrip antenna； PCB antenna； return loss

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代通信技術(shù)也不斷提升，對(duì)于電子通信設(shè)備來(lái)說(shuō)，小型化成為其不斷的追求，處理信息的能力也日益智能化、寬帶化[1]。作為無(wú)線電通信、廣播、導(dǎo)航、雷達(dá)、測(cè)控、微波遙感、射電天文和電子對(duì)抗等各種民用和軍用無(wú)線電系統(tǒng)必不可少的設(shè)備之一的天線，正扮演著越來(lái)越重要的角色。天線的主要功能是在接收系統(tǒng)中完成電磁波與導(dǎo)行波之間的轉(zhuǎn)換或在發(fā)射系統(tǒng)中進(jìn)行相反的變換。微帶天線具有重量輕、體積小、剖面薄、散射截面小等優(yōu)點(diǎn)，十分常見(jiàn)，但頻帶窄一直是它的一個(gè)缺陷[2]。普通的微帶貼片天線的相對(duì)帶寬為[3]0.5%～3%，因此限制了微帶天線在工程上的實(shí)際應(yīng)用。為了擴(kuò)展微帶的天線頻寬，減小微帶天線尺寸[4]，同時(shí)考慮到在許多應(yīng)用中，人們希望天線能夠工作于兩個(gè)或者多個(gè)任意間隔的離散頻段，以實(shí)現(xiàn)更多的功能[5?6]，設(shè)計(jì)并仿真了一種新型寬頻雙頻段微帶天線，該天線印制于1.6 mm厚玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂基板上[7]，采用同軸線饋電，基本實(shí)現(xiàn)了小型化、寬頻帶和雙頻段三者的統(tǒng)一[8]。

1 微帶天線結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的微帶天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，正面結(jié)構(gòu)大致是圓環(huán)輻射貼片中心嵌套一個(gè)矩形輻射貼片，其參數(shù)為[R1=]13 mm，[O=]25 mm，[K=]6 mm，[C=]15 mm，[W=]2 mm，背面是矩形參考地，其長(zhǎng)度與基板長(zhǎng)度相同，高度[H1=]11 mm，基板尺寸為40 mm×40 mm，其厚度[H=]1.6 mm。選用基板的材質(zhì)為玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂，即常用的PCB電路板，成本低、制作簡(jiǎn)單，其相對(duì)介電常數(shù)[εr=4.4，]損耗正切[tanδ=0.05]。

2 微帶天線仿真結(jié)果

如圖2所示，經(jīng)過(guò)HFSS 13.0進(jìn)行仿真，從1～12 GHz對(duì)天線進(jìn)行掃頻，發(fā)現(xiàn)其可用頻段為2.7～5.39 GHz，6.39～10.5 GHz，10 dB帶寬[9]分別為2.69 GHz和4.11 GHz。一般情況下，當(dāng)定義寬頻天線時(shí)，都采用美國(guó)1989 年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的規(guī)定，要求其相對(duì)工作帶寬[10]≥25%。相對(duì)帶寬的計(jì)算公式如下：

[BW=2（fH-fL）fH+fL×100%≥25%]

式中[fH]和[fL]為天線工作頻段的上、下截止頻率。

經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，低頻段的相對(duì)帶寬約為67%和49%。而對(duì)于目前應(yīng)用廣泛的通信標(biāo)準(zhǔn)中，無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN：2.4～2.484 GHz，5.15～5.25 GHz，5.725～5.825 GHz）的中間頻段、超寬帶（UWB：3.1～10.6 GHz）的大部分頻段以及X波段的通信（通常的下行頻率為7.25～7.75 GHz，上行頻率為7.9～8.4 GHz）都可以應(yīng)用到此天線。

為了進(jìn)一步了解天線的輻射性能，分別選取低頻段中5 GHz和高頻段中7 GHz的頻率點(diǎn)進(jìn)行仿真求解，觀察其表面電流分布，如圖3所示。圖3a），圖3b）分別為5 GHz和7 GHz時(shí)的表面電流分布圖。

圖4a），圖4b）分別為5 GHz和7 GHz時(shí)的二維平面增益方向圖。通過(guò)查看天線的三維增益方向圖，天線在求解頻率為5 GHz和7 GHz的最大增益[11]分別為4.54 dB和4.94 dB。

通過(guò)分析圖3可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是5 GHz還是7 GHz的頻率點(diǎn)，大的表面電流分布主要集中在環(huán)形輻射貼片圓周上，且位置不同，而對(duì)于中間矩形輻射貼片的表面電流分布都比較小，說(shuō)明其主要對(duì)應(yīng)的不是這兩個(gè)頻率點(diǎn)。從圖4二維平面增益方向圖可以看出，低頻段天線的全向性相對(duì)于高頻段要好，不存在裂瓣，高頻段天線增益在[xOy]面發(fā)生裂瓣[12]。

3 微帶天線結(jié)構(gòu)分析

為了進(jìn)一步研究天線結(jié)構(gòu)對(duì)其小型化和寬頻帶的影響，仿真改變其圓環(huán)輻射貼片半徑[R1、]圓環(huán)輻射貼片圓心高度[O]以及矩形輻射貼片長(zhǎng)[C]和寬[K]對(duì)天線性能的影響，如圖5～圖7所示。

從圖5可以看出，當(dāng)圓形輻射貼片半徑[R1]從11～14 mm逐漸增加時(shí)，天線的諧振頻率不斷增多，諧振點(diǎn)對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)不斷減小，13 mm時(shí)效果比較好，出現(xiàn)可用寬頻帶，14 mm時(shí)寬頻帶消失。如圖6所示，通過(guò)改變圓形輻射貼片高度[O，]當(dāng)[O=]24 mm時(shí)，不存在明顯的寬頻特性，當(dāng)[O=]25 mm和[O=]26 mm時(shí)寬頻特性比較明顯，但在[O=]26 mm時(shí)高頻段的可用頻段相對(duì)較窄。為了研究矩形輻射貼片的影響，選取不同的[C，K]組合，如圖7所示，其中紅、黑和綠三條曲線分別代表[C=]14 mm，[K=]5 mm；[C=]15 mm，[K=]6 mm；[C=]16 mm，[K=]7 mm時(shí)天線的反射系數(shù)[S11]隨掃描頻率的變化。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)[C，K]不斷增大，即矩形輻射貼片不斷增大的過(guò)程中，天線低頻段基本沒(méi)有變化，主要影響高頻段的寬頻特性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要設(shè)計(jì)了一種新型的PCB微帶貼片天線，采用同軸線饋電。通過(guò)HFSS仿真軟件對(duì)天線模型進(jìn)行大量仿真試驗(yàn)，最后得到了覆蓋2.7～5.39 GHz，6.39～10.5 GHz，相對(duì)帶寬分別為67%和49%的寬頻雙頻段天線，這款天線具有體積小、重量輕和易于大批量制作等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用具有一定參考價(jià)值。

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