展寬貼片天線頻帶的Ｌ型饋電方法的設(shè)計(jì)與分析

羅志升　王　黎　高曉蓉　王澤勇　趙全軻

摘 要：微帶天線其本身具有的固有帶寬十分狹窄,很難應(yīng)用于更多更廣的領(lǐng)域中,所以對微帶天線帶寬展寬的研究具有十分重要的意義。采用Ansoft公司的HFSS仿真軟件仿真分析了L型探針饋電方法的微帶貼片天線,并且設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為1 000 MHz的L形探針饋電方法的微帶貼片天線,其絕對帶寬為320 MHz,達(dá)到了中心頻率的32％,輻射增益大約為9 dB。其具有尺寸小,結(jié)構(gòu)簡單,超寬帶的特征。

關(guān)鍵詞：帶寬；中心頻率；L型探針饋電；微帶貼片天線

中圖分類號：TN82 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-070-04

Design and Analysis of Bandwidth-enhancement Technique of L-probe-fed Patch Antenna

LUO Zhisheng,WANG Li,GAO Xiaorong,WANG Zeyong,ZHAO Quanke

(College of Sciences,Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031,China)

Abstract：Microstrip antennas have inherent extremely narrow band-width,it is very difficult to be applied in more domains.Thus the wide band-width research of microstrip antennas is of great significance to the application.In this paper,by using Ansoft Company′s simulation software HFSS,the simulation and analysis of L-probe-fed microstrip patch antenna are shown,and a 1 000 MHz center frequency L-probe-fed microstrip patch antenna is designed.Its absolute bandwidth is 320 MHz,reaching 32% bandwidth of that at the center frequency.The radiation gain is about 9 dB,it is characterized by its small size,simplified structure and ultra-wide band.

Keywords：band width;center frequency;L-probe-fed;microstrip patch antenna

0 引 言

最近幾十年微帶天線的發(fā)展非常迅速,但微帶天線其本身具有的固有帶寬十分狹窄,很難應(yīng)用于更多更廣的領(lǐng)域中,所以對微帶天線帶寬展寬的研究具有十分重要的意義。近來超寬帶天線成了一個(gè)熱門的話題,但是展寬貼片天線頻帶十分困難［1］。在對天線進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),既要實(shí)現(xiàn)天線的寬帶化,又要限制天線的尺寸大小,而且還要滿足天線的駐波、增益等指標(biāo),類似這樣的天線設(shè)計(jì)問題是十分困難的。如何協(xié)調(diào)好上述關(guān)系以獲得最佳天線結(jié)構(gòu),則成為寬帶天線設(shè)計(jì)的核心問題［2,3］。該文討論用L型探針方法來展寬貼片天線帶寬的方法,仿真設(shè)計(jì)出

了一個(gè)中心頻率為1 000 MHz帶寬為32％的L型探針饋電的貼片天線。

1 中心頻率1 000 MHz的L型探針饋電天線的設(shè)計(jì)及仿真

1.1 模型確定

設(shè)計(jì)指標(biāo)為中心頻率為1 000 MHz,帶寬為30％以上。當(dāng)頻率等于1 000 MHz時(shí),波長(單位：m)如下式所示：

λ0＝cf＝3×1081 000×106＝0.3

(1)

εr＝1(即為空氣或者泡沫基片),天線模型尺寸初步設(shè)計(jì)如下:

L= 16.5 cm,W=14.5 cm,Lp=5.54 cm,D=1.06 cm,基片厚度2.58 cm,探針直徑0.53 cm,如圖1所示。通過HFSS軟件對其進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)的仿真模型、俯視圖、側(cè)視圖如圖2~圖4所示。

圖1 天線的尺寸標(biāo)示

圖2 天線的仿真模型

在圖1中,L表示為貼片的長度,W為貼片的寬度,LP為探針的左端到右端的距離,D為探針左端到貼片的距離,模型基片厚度固定為2.58 cm。

圖3 天線仿真模型俯視圖

圖4 天線仿真模型側(cè)視圖

1.2 仿真調(diào)試

對上述仿真模型進(jìn)行仿真,得到的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 駐波比曲線圖(一)

圖5為在模型尺寸：L＝16.5 cm,W=14.5 cm,Lp=5.54 cm,D=1.06 cm,t=2.58 cm下得到的駐波比曲線圖,此時(shí)的帶寬只有7.5%左右,且中心頻點(diǎn)離1 000 MHz漂移也有點(diǎn)大,結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)相差甚多。為了得到設(shè)計(jì)指標(biāo)結(jié)果,調(diào)整參數(shù),首先調(diào)整貼片的大小來增加貼片天線的帶寬,然后再調(diào)整貼片與探針的相對位置來滿足頻點(diǎn)指標(biāo),于是將貼片尺寸進(jìn)行縮小,尺寸如下:長L為16.5 cm,寬W為12.5 cm,其余參數(shù)均不改變,對其再進(jìn)行仿真分析,得到的駐波比圖如圖6所示。

可見,此時(shí)尺寸為L＝16.5 cm,W=12.5 cm,Lp=5.54 cm,D=1.06 cm,t=2.58 cm時(shí)帶寬增加為14.4%,中心頻點(diǎn)為860 MHz,明顯比一開始設(shè)計(jì)參數(shù)的貼片有了改進(jìn),但是離設(shè)計(jì)指標(biāo)還是相差很多,對其貼片尺寸再進(jìn)行調(diào)節(jié)：長為16.5 cm,寬為11.5 cm,進(jìn)行仿真分析,得到的駐波比曲線圖如圖7所示。

圖6 駐波比曲線圖（二）

圖7 駐波比曲線圖（三）

由圖7可見,帶寬有了很大的增加,此時(shí)模型尺寸為：L＝16.5 cm,W=11.5 cm,Lp=5.54 cm,D=1.06 cm,t=2.58 cm。帶寬為25％,且中心頻點(diǎn)也在 1 000 MHz附近,由于帶寬還是未達(dá)到30%以上,所以對其再進(jìn)行改進(jìn),貼片尺寸改為：長為15 cm,寬為 11 cm,得出駐波比曲線圖如圖8所示。

圖8 駐波比曲線圖（四）

由圖8可知,在L＝15 cm,W=11 cm,Lp= 5.54 cm,D=1.06 cm,t=2.58 cm的尺寸下,帶寬已經(jīng)有了很大的改進(jìn),此時(shí)的帶寬為30%左右,且中心頻點(diǎn)在1 000 MHz附近,為了進(jìn)一步達(dá)到目標(biāo),依照以前的思路,對貼片的尺寸進(jìn)一步調(diào)整：長為15 cm,寬為 10.5 cm,于是可以得到駐波比曲線圖如圖9所示。

此時(shí)可以看出,在模型尺寸為:L＝15 cm,W=10.5 cm,Lp=5.54 cm,D=1.06 cm,t=2.58 cm時(shí),駐波比在2以下的頻率范圍為0.91~1.23 GHz,其絕對帶寬為0.32 GHz,相對帶寬已經(jīng)達(dá)到32％,而且中心頻點(diǎn)為1 000 MHz,已經(jīng)達(dá)到最初給出的設(shè)計(jì)指標(biāo),為了進(jìn)一步得到更好的結(jié)果,于是對其尺寸再進(jìn)行改變,且對其探針長度、探針的設(shè)計(jì)及其基片厚度進(jìn)行改變,發(fā)現(xiàn)再改變反而駐波比明顯下降,且其余結(jié)果也會(huì)變得不理想,所以這就是得到的最佳結(jié)果,且此時(shí)的貼片的長度也滿足由下式：

l歃薳2=λ02εe=0.321=0.15

(2)

計(jì)算得到的諧振長度［4］。

圖9 駐波比曲線圖（五）

1.3 最終結(jié)果表示

通過以上的仿真調(diào)試可以看出圖9正是要得到的駐波比曲線圖。表1給出了得到圖9的設(shè)計(jì)的尺寸；表2列出了從圖9中得出的天線的中心頻率、絕對帶寬、相對帶寬及增益的值。

表1 天線設(shè)計(jì)尺寸

天線的設(shè)計(jì)尺寸尺寸大小 /cm

貼片長度L15

貼片寬度W10.5

探針長度Lp5.54

基片厚度t2.58

探針直徑D0.53

接地板尺寸30×34

表2 天線的參數(shù)值

天線參數(shù)參數(shù)值

中心頻率1 000 MHz

絕對帶寬320 MHz

帶寬(相對帶寬)32%

增益9 dB

通過HFSS軟件也可以得到在表1尺寸下的S 11參數(shù)圖、φ=0°輻射方向圖、φ=90°輻射方向圖及天線增益3D模型圖,分別如圖10~圖13所示。

其余參數(shù)圖從圖10可以看出,S參數(shù)在-10 dB以下的是從0.92~1.23 GHz,可知其絕對帶寬為 0.31 GHz,其相對帶寬為30％以上,基本和由駐波比得到的帶寬符合。

圖10 S 11參數(shù)圖

圖11 φ=0°輻射方向圖

圖12 φ=90°輻射方向圖

圖13 天線增益3D模型圖

由圖10~圖13可知,最終得到的L型探針饋電方式貼片天線其帶寬為32％,增益大約在 9 dB的水平。影響貼片天線的帶寬和中心頻率的因數(shù)有：貼片的尺寸大小,基片的厚度,貼片與L型探針的相對位置,L探針的長度,饋電點(diǎn)位置也有影響［5,6］,具體來說,貼片的長度L由式(2)可以計(jì)算得出,對其長度L及其寬度W進(jìn)行調(diào)節(jié)及基片厚度的改變會(huì)改變貼片天線的帶寬及其中心頻點(diǎn),L探針長度的改變及饋電點(diǎn)的位置也會(huì)影響帶寬但對中心頻點(diǎn)的影響很小,這就會(huì)有一個(gè)最佳尺寸［7,8］,且從以上可以看出最初的設(shè)計(jì)尺寸未能達(dá)到指標(biāo)要求。為了達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo),對貼片尺寸進(jìn)行了重點(diǎn)調(diào)節(jié),其余的影響參數(shù)只是對其進(jìn)行了很小的修改,而且達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,對其他影響參數(shù)也進(jìn)行了微調(diào),由此得出了上文中的規(guī)律和結(jié)論。

2 結(jié) 語

介紹了L型探針饋電方式的展寬頻帶方法。以前,人們在微帶貼片天線的頻帶展寬方面常采用多層結(jié)構(gòu),雖展寬了頻帶但使天線的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,有悖于寬帶的微帶貼片天線逐漸向小型化、結(jié)構(gòu)簡單的發(fā)展方向［9,10］。探討了貼片天線中的設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)的變化對仿真結(jié)果的影響,主要通過對貼片尺寸的調(diào)節(jié)、基片厚度的調(diào)整；L探針長度的調(diào)節(jié),可以對貼片天線仿真模型的中心頻率和駐波比進(jìn)行調(diào)節(jié),最終仿真設(shè)計(jì)出了帶寬>30%的超寬帶微帶貼片天線,具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、超寬帶的特征。

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