一種C波段的矩形微帶天線設(shè)計(jì)*

朱彥軍，楊 碩

（太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引 言

在通信系統(tǒng)中，微帶天線具有體積小、重量輕、制造工藝簡(jiǎn)單、易于共形等優(yōu)點(diǎn)。微帶天線已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、飛行器控制、醫(yī)療器械和個(gè)人通信等領(lǐng)域。20世紀(jì)50年代初，Deschamps首次提到了微帶天線這個(gè)概念，但是受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，微帶天線并沒(méi)得到實(shí)質(zhì)應(yīng)用[1-3]。直到20世紀(jì)70年代，隨著通信技術(shù)和材料技術(shù)的突破，對(duì)天線體積、重量、剖面、空氣動(dòng)力學(xué)等因素的要求進(jìn)一步提高[4]，微帶天線才逐漸走向應(yīng)用[5]。目前，在應(yīng)用領(lǐng)域比較通用的微帶天線大體上可以劃分為三個(gè)類型——微帶縫隙天線、微帶行波天線和含有貼片的微帶貼片天線[6-7]。典型的微帶天線結(jié)構(gòu)是由很薄的金屬片在極小的相鄰間隔中貼在介質(zhì)面上，介質(zhì)面的另一面是接地面。一般來(lái)說(shuō)，微帶天線的通常結(jié)構(gòu)如圖1所示，由介質(zhì)基片、接地板和輻射元三部分組成[8]。

圖1 矩形微帶天線結(jié)構(gòu)

隨著各國(guó)5G頻段規(guī)劃的相繼出臺(tái)，C波段3.4～3.6 GHz的頻段也正式成為5G發(fā)展的先行軍。微帶天線運(yùn)行于C波段，能實(shí)現(xiàn)寬頻帶、高增益、高隔離度的同時(shí)，還能集成多種功能于一體。本文設(shè)計(jì)了一款能夠工作在3.5 GHz的矩形微帶天線，利用HFSS15.0軟件進(jìn)行了天線建模、仿真。仿真結(jié)果顯示，該天線達(dá)到了C波段的矩形微帶天線設(shè)計(jì)要求。

1 矩形微帶天線的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的天線考慮到實(shí)際制作的性價(jià)比，矩形微帶天線選用FR4為介質(zhì)材料，其介質(zhì)的介電常數(shù)εr=4.4，介質(zhì)板的厚度為h=1.6 mm，矩形微帶天線工作的頻率為3.5 GHz，波長(zhǎng)λ0=86 mm。

1.1 貼片參數(shù)計(jì)算

所設(shè)計(jì)的矩形微帶天線的相關(guān)參數(shù)可以由下面的公式粗略計(jì)算得出[8-9]。

寬度W0計(jì)算公式為：

式中c為光速，c=3×108m/s；εr為介電常數(shù)。通過(guò)相關(guān)理論計(jì)算矩形微帶天線的輻射貼片長(zhǎng)度為L(zhǎng)e，有：

式中，λg表示導(dǎo)波波長(zhǎng)，有：

式中，λ0表示自由空間波長(zhǎng)；εe表示有效介電常數(shù)，h為基片高度，且：

矩形貼片的長(zhǎng)度L0為：

式中，f0為本文設(shè)計(jì)的矩形微帶天線的頻率，ΔL是等效的縮短長(zhǎng)度，且有：

根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，介質(zhì)基片的長(zhǎng)度和寬度可以由式（7）和式（8）進(jìn)行大致估算，實(shí)際的尺寸可以在仿真的時(shí)候進(jìn)行具體調(diào)整。

通過(guò)公式可以計(jì)算出矩形微帶天線的有效介電常數(shù)εe=4.0，貼片的寬度W0=26.08 mm，輻射縫隙的長(zhǎng)度ΔL=2.19 mm，貼片的長(zhǎng)度L0=21.4 mm。

1.2 饋電方式的選擇

在天線的設(shè)計(jì)中，饋電方式會(huì)對(duì)天線的一些關(guān)鍵性能產(chǎn)生影響。在饋電方式選擇上，不僅要考慮其性能優(yōu)略，還要充分考慮其經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)實(shí)技術(shù)層面的可行性[10]。常用的饋電方式有微帶線饋電、同軸線饋電、槽電饋電、電磁耦合饋電、口徑耦合饋電和共面波導(dǎo)饋電。其中，最常用的是微帶線饋電和同軸線饋電。本文綜合考慮了多種因素，最終選用微帶線饋電方式。

微帶線饋電又分為中心饋電和偏心饋電，如圖2所示。本文首先選用中心饋電，在確定天線尺寸后，接入阻抗變換器。如果輻射場(chǎng)在某邊發(fā)生變化，那么匹配的輸入電阻也會(huì)發(fā)生變化，最后改變饋電點(diǎn)位置來(lái)獲取最佳阻抗匹配。

圖2 微帶線饋電

1.3 微帶線尺寸計(jì)算

通常來(lái)說(shuō)，微帶天線的邊緣阻抗的取值范圍為[100，400] Ω，但是這并不滿足微波器的通用器件50Ω的要求。為了滿足通用器件的要求，本文加入一段1/4波長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換器Z1：

本文通過(guò)HFSS自帶的Antenna Design Kit，可以直接輸入想要的頻率，進(jìn)而由軟件計(jì)算出微帶線的尺寸。其中，通過(guò)軟件計(jì)算出的50 Ω的微帶線的長(zhǎng)和寬為W2=1.91 mm和L2=19.57 mm。加入1/4阻抗匹配的微帶線的長(zhǎng)和寬為W1=0.45 mm和L1=12.32 mm。進(jìn)一步利用HFSS軟件對(duì)矩形微帶天線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到天線參數(shù)如表1所示。

表1 天線參數(shù)

2 天線模型設(shè)計(jì)

打開(kāi)HFSS——Design Properties添加變量后，開(kāi)始創(chuàng)建介質(zhì)基板與接地板的尺寸大小為82.78 mm×52.16 mm，微帶貼片的尺寸為19 mm×0.64 mm，邊界盒子的尺寸為104.28 mm×95.16 mm×23.1 mm，介質(zhì)為空氣，如圖3所示。

圖3 天線結(jié)構(gòu)仿真

3 矩形微帶天線的仿真分析

利用HFSS軟件對(duì)矩形微帶天線模型進(jìn)行性能仿真[11]，得到S11（回波損耗）圖，如圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)W1=0.64 mm、L0=19 mm時(shí)，頻率為3.5 GHz時(shí)回波損耗最大，約為-29.8 dB，而VSWR（電壓駐波比）約為1.06。

通過(guò)圖5的Smith圓圖可以看出，設(shè)計(jì)的矩形微帶天線的歸一化阻抗為（1.026 5，j0.005 99），阻抗匹配良好。

圖4 仿真的S11

通過(guò)圖6的xz和yz平面的增益方向圖和圖7三維增益方向圖可以看出，設(shè)計(jì)的矩形微帶天線的最大增益為3.15 dB，滿足實(shí)際要求。

圖5 Smith圓圖

圖6 xz和yz平面的增益方向圖

圖7 三維增益方向圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)微帶矩形天線的原理，依據(jù)天線尺寸的計(jì)算公式，設(shè)計(jì)了中心頻率為3.5 GHz的矩形微帶天線。利用HFSS軟件建立天線模型，并對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)化，得到了天線特性的仿真曲線。由天線特性的仿真曲線可以看出，此次設(shè)計(jì)的矩形微帶天線性能滿足工業(yè)天線的要求。