基于縫隙耦合的微帶天線設計

魯思維，單志勇，程云鵬，歐 陽

(東華大學 信息科學與技術學院，上海 201600)

0 引言

隨著無線通信技術的快速發(fā)展,人們對寬帶通信的需求越來越高,天線向寬帶、高增益的方向發(fā)展已成為通信體制的必然趨勢。微帶天線是近30年來逐漸發(fā)展起來的一類新型天線[1]。而傳統(tǒng)的微帶天線工作帶寬窄、增益低，一般典型的微帶天線的相對工作帶寬只在2%～4%左右[2]。因此,對寬帶高增益微帶天線的研究具有重要意義。在擴展微帶天線帶寬、增益方面的研究有很多[3]：文獻[4]基于新型雙圓弧微帶結構，設計一種信號傳輸特性優(yōu)、帶寬較寬的新型微帶天線，并對六種不同基片介質的新型微帶天線模型進行仿真，通過對仿真數(shù)據(jù)的分析比較，得出FR-4諧振抑制深度最大、信號傳輸損耗最小、信號輸出特性最佳的結論；文獻[5]中的天線由2個對稱的雙T槽型微帶貼片組成，并以圓柱為載體形成共形，在3～7 GHz頻段內，該天線能夠使4個頻段同時工作，可以應用于不同通信系統(tǒng)中；文獻[6]設計的天線通過在半圓形輻射貼片上開一組尺寸和位置非對稱的矩形槽實現(xiàn)圓極化，應用非共面的鄰近耦合饋電補償饋電探針的電感展寬天線的帶寬，與圓極化E型微帶天線相比，不僅提高了工作帶寬，還縮小了頂層貼片面積；文獻[7]中提出的W型微帶貼片天線結構簡單，實現(xiàn)了天線的小型化，其頻帶范圍在1.92～2.15 GHz之間，相對來說還是較窄。

為適應移動通信的發(fā)展需求，本文設計了一種基于矩形縫隙耦合的微帶天線，采用軟件HFSS13對天線單元進行了仿真優(yōu)化，并分析對天線軸比特性的影響較大的幾個主要參數(shù)，最終確定天線結構，給出了天線的測量和仿真結果。

1 結構分析

1.1 天線結構設計

按照結構特征分類可以把微帶天線分為微帶貼片天線和微帶縫隙天線。從以往的研究來看，不同的貼片形狀也會影響天線的阻抗帶寬。常用的貼片形狀為矩形、正方形、圓形、三角形或者其他，通常會在這些圖形的基礎上做一些更加復雜的變化，以此改變天線的工作帶寬、波束寬度、增益、軸比特性、圓極化等，來滿足實際應用的需求。

本次設計的寬頻帶天線最終整體結構如圖1所示。該天線對貼片的縫隙大小以及位置進行設計修改，整體包含三個部分，分別為頂層輻射金屬貼片層、中間介質基板、底層接地板金屬貼片層。天線所用介質基板的材料為FR4環(huán)氧樹脂，其相對介電常數(shù)為4.4，介電損耗為0.02。其中，介質基板的長為50 mm，寬為45 mm，厚度為1 mm；頂層矩形貼片的尺寸為 25.8 mm×27 mm，與貼片相連的饋線長度為16 mm；為了展寬天線的工作帶寬，在饋線與輻射貼片的連接處增加了一個尺寸為2.1 mm×5 mm的小矩形貼片；接地板的尺寸為16 mm×45 mm。圖2中列出了該天線結構中頂層矩形貼片的設計過程，圖中描述了天線引入縫隙的位置、大小以及形狀的變化。

圖2 天線設計過程變化圖

1.2 理論分析

微帶貼片天線的設計尺寸需要根據(jù)理論公式進行計算獲得，然后再選擇合適材料作為介質基片。假設有一個矩形微帶天線，其介質板材料的介電常數(shù)為εd，工作頻率為f，那么就可以用式(1)計算出天線頂層輻射貼片的寬度w。

(1)

式中的c為光速。

天線輻射貼片的長度設置為λm/2；λm為介質內的導波波長，計算公式為：

(2)

考慮到會存在邊緣縮短效應，實際上得到的輻射單元長度L1的計算公式為：

(3)

其中εf是有效介電常數(shù)，Le是等效輻射縫隙長度，計算公式分別如下：

(4)

(5)

微帶天線的窄頻特性是由較大Q值的諧振特性所決定的[8]。因此，為了展寬微帶天線的帶寬可以通過降低Q值來實現(xiàn)，例如：選用介電常數(shù)較小和厚度較厚的介質層、改變天線或微帶線的形狀、增加阻抗匹配網(wǎng)絡、改進天線的饋電方式等[9]。一般情況下，在設計天線時，會把天線的輸入阻抗盡可能控制在50 Ω，饋線通常是使用50 Ω阻抗標準，以此來保證在工作頻帶內的駐波比盡可能小[10]。

2 仿真結果分析

用高頻仿真軟件HFSS13對圖1所示的天線結構在1 GHz～10 GHz頻段的性能進行了詳細優(yōu)化設計和仿真，測試了貼片尺寸、縫隙大小和位置對天線阻抗等各性能的影響。天線的阻抗帶寬可以用在頻率內的回波損耗(S11)和電壓駐波比(VSVR)表示，匹配好的阻抗帶寬必須以某個水平完全覆蓋的工作頻率范圍表示，S11在該范圍內的值要小于-10 dB。

天線仿真的S11參數(shù)曲線對比如圖3所示。天線1中只引入了4個對稱的L型縫隙，其帶寬比較窄，S11<-10 dB的帶寬范圍僅覆蓋了1.4 GHz～2.2 GHz；在此基礎上，天線2貼片的邊緣和中間部分新增了兩組對稱三角形縫隙，改變了表面電流的分布，從圖中可以看出帶寬的寬度稍微有所改善，但是還是沒有達到實際應用的要求；最終的結構天線3調整了三角形縫隙的位置并增加了兩個箭頭型縫隙，使其諧振頻率向高頻移動，同時改善了阻抗特性，大大展寬了天線的工作帶寬。天線3的S11參數(shù)小于-10 dB的頻帶范圍為1.5 GHz～4.3 GHz，相對工作帶寬接近100%。

圖3 天線S11仿真對比圖

經(jīng)過改善后的天線增益性能也得到很大的改善，仿真得到的增益參數(shù)曲線對比如圖4所示。從圖中可得知，隨著縫隙的增加和位置的調整，增益也越來越高。天線1在只增加簡單矩形縫隙的情況下所得到的增益在低頻段能達到2 dB左右，但是在3.5 GHz～5 GHz處的增益不符合要求；相比之下，天線2的增益在該范圍內有所提高，但是低頻段的增益還需要繼續(xù)改進；最終結構的天線3在其工作帶寬范圍內(1.5 GHz～4.3 GHz)的增益都處于3.3 dB以上，在2.4 GHz處的增益為5.2 dB，在頻帶范圍內最高增益可達10 dB。經(jīng)過不斷調整優(yōu)化天線結構后，總體的增益性能已經(jīng)可以滿足實際應用的要求。

圖5為天線3的AR仿真結果圖，從圖中可以看出，天線3結構所得出的3-dB軸比特性帶寬為3.4 GHz～3.8 GHz，獲得的圓極化帶寬為11%，在該帶寬范圍內，特別是在3.6 GHz處，可以實現(xiàn)圓極化。對于圓極化天線而言，無論收信天線的極化方向如何，感應出的信號都是相同的。

圖4 天線增益對比圖

圖5 天線3的AR示意圖

輻射方向圖是天線的一個重要性能參數(shù)，描述了在同一空間不同方向的情況下天線周邊產生的輻射場的大小變化。為了更加清楚地分析優(yōu)化后天線的輻射特性，仿真得到了天線的平面輻射方向圖，在繪制天線方向圖之前，需要定義遠區(qū)場輻射表面。天線分別選取E平面(yoz面)和H平面(xoy面)作為主平面的方向圖，如圖6所示。

圖6 天線平面方向圖

3 結論

本文設計了一種基于多縫隙耦合的微帶貼片天線，解決微帶貼片天線的工作帶寬較窄的問題。通過調整頂層貼片中引入縫隙的位置及大小改善了天線的軸比特性，展寬了工作頻帶范圍，縮小了貼片面積。仿真結果表明，該天線在整個工作范圍(1.5 GHz～4.3 GHz)內具有較高的增益，天線的阻抗帶寬能達到100%，在3.4 GHz～3.8 GHz頻帶范圍內的軸比小于3 dB，符合工作在藍牙和WLAN的工作頻段范圍內的要求，適用于工作在S波段內的現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中。由仿真實驗結果可以得知，在頂層輻射貼片引入縫隙對于微帶貼片天線的帶寬擴展、增益提高是有作用的，但是本文天線的圓極化帶寬范圍沒有覆蓋其工作頻帶，仍有改善的空間。