一種W形小型化微帶天線的設(shè)計(jì)與仿真

亓協(xié)興 陳彥錚

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種W形結(jié)構(gòu)的小型化微帶貼片天線，通過在貼片頂端加載電容片，并且在電容片上加蓋適當(dāng)厚度的介質(zhì)板來組成另一個(gè)輻射體，從而展寬天線的工作頻帶。利用電磁仿真軟件Ansys HFSS對(duì)此天線進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)與分析。結(jié)果表明天線參數(shù)表現(xiàn)良好，在1.92GHz～2.15GHz頻帶內(nèi)達(dá)到11.4%的相對(duì)帶寬（VSWR<2）。該天線整體結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單、增益高、方向性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足一般應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：微帶天線；W形結(jié)構(gòu)；相對(duì)帶寬；駐波比

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.103

0 引言

微帶天線具有體積小、重量輕、低剖面、易與載體表面共形、制造工藝簡(jiǎn)單和成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于其較高的工程價(jià)值，在移動(dòng)通信、航天航空、導(dǎo)彈等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。另外，室內(nèi)短距離通信，比如藍(lán)牙通信、射頻識(shí)別、無線鼠標(biāo)等都需要小型化天線[3]，這些需求給微帶天線提供了廣闊的應(yīng)用平臺(tái)。但是，微帶天線也有頻帶窄、增益低等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)限制了微帶天線的進(jìn)一步應(yīng)用[4]。因而，拓展帶寬、提高增益成為微帶天線研究的關(guān)鍵問題?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種W形小型化微帶貼片天線。采用表面開槽的輻射貼片，貼片表面的電流路徑發(fā)生彎曲，有效路徑變長(zhǎng)。因此，在保證貼片幾何尺寸不變的情況下，采用W形的輻射貼片可以使天線諧振頻率降低，實(shí)現(xiàn)天線的小型化；同時(shí)，在貼片的頂端覆蓋電容片以及介質(zhì)板來展寬頻帶。

1 天線的設(shè)計(jì)

經(jīng)過優(yōu)化，不斷地調(diào)節(jié)如接地板、貼片、電容片的大小、厚度等參數(shù)，天線的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示。此天線采用兩塊介電常數(shù)為2.55的介質(zhì)板，厚度為0.68mm；接地板的厚度為1mm；貼片、電容片的厚度均為0.033mm。該設(shè)計(jì)中采用同軸側(cè)饋的饋電方式，并通過計(jì)算饋電片的大小，使輻射單元與饋電結(jié)構(gòu)的阻抗匹配。從圖1中可以看出，貼片形狀為W形，貼片上覆蓋有一塊截去四角的正方形電容片，貼片與電容片平行且相距7.73mm，電容片上又覆蓋了一塊相同的介質(zhì)板，使其和電容片又構(gòu)成一個(gè)輻射體。所以從上到下，有兩個(gè)輻射體，分別決定兩個(gè)諧振頻率點(diǎn)，起到展寬頻帶的作用。

2 天線的仿真分析

根據(jù)以上數(shù)據(jù)通過HFSS 軟件對(duì)上述設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行仿真，得到天線的回波損耗S11、方向圖和駐波比等仿真結(jié)果。

圖2所示為天線駐波比?？梢钥闯鲈?.92GHz～2.15GHz頻段上駐波比小于2.0，符合大多數(shù)天線應(yīng)用場(chǎng)合的要求；另外，駐波比有兩個(gè)波谷值，表示兩個(gè)諧振點(diǎn)。如對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行改變，使兩個(gè)諧振點(diǎn)遠(yuǎn)離，則該天線可變?yōu)殡p頻天線。

圖3所示為天線方向圖。從圖中可以看出，天線的增益約為8dB，方向性非常好，副瓣模為零。該天線為半空間輻射，但可以做成天線陣列，擴(kuò)展輻射范圍。

3 總結(jié)

現(xiàn)代通信技術(shù)迅速發(fā)展對(duì)天線的性能要求越來越高。本文設(shè)計(jì)了一種W形小型化微帶貼片天線，在1.92GHz～2.15GHz頻段內(nèi)天線參數(shù)表現(xiàn)良好，滿足一般的設(shè)計(jì)要求。

本設(shè)計(jì)對(duì)微帶天線的頻帶展寬提供了一個(gè)良好的思路，即通過增加諧振點(diǎn)來展寬天線的頻帶。

根據(jù)特定要求，此天線只要做適當(dāng)?shù)母膭?dòng)，即可做成雙頻或多頻的天線；還可以通過增加W形貼片的數(shù)量，得到蛇形天線[5]，使性能進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)：

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[2]彭菊紅，王仕章，邱桂霞等.北斗寬波束“U”型槽雙頻微帶天線的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2018（03）.

[3]何蔚.小型化與寬頻帶天線技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[4]李梅.折疊式新型寬帶微帶天線的工程設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)，2008.

[5]許佳.小型LTCC天線的研究與分析[D].浙江：浙江工業(yè)大學(xué)，2004.

作者簡(jiǎn)介：亓協(xié)興（1989-），男，山東聊城人，博士，講師，主要研究方向：計(jì)算電磁學(xué)及天線應(yīng)用。