一種高增益寬頻帶微帶天線設(shè)計(jì)

陳章友，李飛儀，秦米佳，蔡子偉

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430079)

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一種高增益寬頻帶微帶天線設(shè)計(jì)

陳章友，李飛儀，秦米佳，蔡子偉

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430079)

設(shè)計(jì)了一種工作在9.4 GHz的高增益寬頻帶微帶天線，介紹了該天線的設(shè)計(jì)思路，并利用CST對(duì)其進(jìn)行了建模、仿真和計(jì)算，仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)天線的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

微帶天線；CST；天線建模；仿真計(jì)算

天線系統(tǒng)作為接收和發(fā)射電磁波的器件，是無(wú)線通信系統(tǒng)中非常重要的一部分。微帶天線是在20世紀(jì)70年代受到廣泛重視的一種新型天線,它具有體積小、重量輕、平面結(jié)構(gòu)、能與飛行器共形、成本低等特點(diǎn)，在多普勒雷達(dá)、導(dǎo)彈遙測(cè)技術(shù)、生物工程、可移動(dòng)衛(wèi)星通信、空間技術(shù)、蜂窩電話/PCS及其他手持便攜式通信設(shè)備中得到了廣泛的運(yùn)用[1]。而微帶天線本身固有的窄頻帶和相對(duì)尺寸為1/2波長(zhǎng)大小是它的主要缺點(diǎn),也是制約其發(fā)展的主要因素。因此尋求減小微帶貼片天線相對(duì)尺寸，以及在保持微帶天線小型化的基礎(chǔ)上增加其頻帶寬度，以滿足無(wú)線通信數(shù)據(jù)量不斷增大的方法成為無(wú)線通信技術(shù)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域[2]。而針對(duì)微帶天線的關(guān)鍵參數(shù)，諸如介電常數(shù)的大小、貼片天線的高度、饋電點(diǎn)位置等影響天線性能的研究是當(dāng)前的一大熱點(diǎn)。

1 微帶天線的設(shè)計(jì)原理

1.1 微帶天線的基本結(jié)構(gòu)

矩形微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1中的饋線采用側(cè)饋的方式，除這種方式外，還有用同軸線穿過(guò)接地板和介質(zhì)板的背饋激勵(lì)方式。由于微帶貼片天線通常只工作在諧振頻率附近，因此研究微帶貼片天線的諧振頻率和阻抗特性就顯得尤為重要。

圖1 矩形微帶貼片天線結(jié)構(gòu)圖

1.2 微帶天線參數(shù)

由圖1可知，設(shè)計(jì)微帶貼片天線時(shí)要考慮的參數(shù)有：介質(zhì)基板厚度h、貼片長(zhǎng)度L、貼片寬度W、介質(zhì)基板長(zhǎng)度LG、介質(zhì)基板寬度WG、介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)εr和損耗正切tanδ[3]。

(1)介質(zhì)基板的厚度h、相對(duì)介電常數(shù)εr、損耗正切tanδ會(huì)直接影響微帶貼片天線的性能。

(2)貼片寬度W會(huì)影響頻帶寬度和輻射效率，W的尺寸不得超過(guò)式(1)給出的值：

(1)

式中：f0為諧振頻率；c為光速。

(3)貼片長(zhǎng)度L近似為:

L=λg/2

(2)

式中，λg為介質(zhì)內(nèi)波長(zhǎng)，它與自由空間波長(zhǎng)λ0的關(guān)系為：

(3)

其中，εe為有效介電常數(shù)，可由式(4)計(jì)算：

(4)

(4)介質(zhì)基板尺寸的計(jì)算，對(duì)于背饋按式(5)和式(6)確定；對(duì)于側(cè)饋，介質(zhì)基板寬度WG按式(6)確定，而LG則需根據(jù)饋線和阻抗變換器的配置來(lái)確定。

LG=L+0.2λg

(5)

WG=W+0.2λg

(6)

2 天線設(shè)計(jì)

2.1 基本設(shè)計(jì)要求

要求天線工作在9.4GHz，增益達(dá)到12dB，方向圖水平寬度70°，俯仰寬度25°，帶寬盡可能擴(kuò)展。

2.2 天線結(jié)構(gòu)的確定

微帶天線工作在9.4GHz，其在空氣中的波長(zhǎng)為32mm。綜合考慮微帶天線參數(shù)和環(huán)境要求，選定介質(zhì)基板厚度h=2 mm，相對(duì)介電常數(shù)εr=1.15，貼片和接地板材料均為理想導(dǎo)體。

由式(4)可得有效介電常數(shù)εe=1.12，再由式(3)可知介質(zhì)內(nèi)波長(zhǎng)λg=30.2 mm，由式(1)可得貼片寬度W的最大值為15.4 mm，由式(2)可得貼片長(zhǎng)度L=15.1 mm，由式(5)可得介質(zhì)基板長(zhǎng)度LG=21.1 mm，由式(6)可得介質(zhì)基板寬度WG=21.4 mm。

根據(jù)計(jì)算所得到的參數(shù)，在CST中建立微帶貼片天線模型，如圖2所示。介質(zhì)基片的背面設(shè)有接地板，饋電同軸線垂直貫穿介質(zhì)基片和接地板；介質(zhì)基片的正面和饋電同軸線的上方連貼有貼片，饋電同軸線將接地板與貼片相連。

圖2 單貼片天線模型

經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn)，按照理論值構(gòu)建出基本的一個(gè)貼片和兩個(gè)貼片的微帶天線都滿足不了指標(biāo)要求。故最終確定天線的結(jié)構(gòu)為三貼片微帶天線，如圖3所示，其中3個(gè)貼片通過(guò)傳輸線相連，天線采用背饋方式饋電。

圖3 三貼片天線模型

3 CST參數(shù)仿真

根據(jù)微帶天線理論[4-6]，貼片長(zhǎng)度L、貼片寬度W、介質(zhì)基板長(zhǎng)度LG、介質(zhì)基板寬度WG、貼片之間的距離及傳輸線的長(zhǎng)度都會(huì)對(duì)微帶貼片天線的性能指標(biāo)產(chǎn)生影響。需要通過(guò)仿真確認(rèn)天線各尺寸參數(shù)與天線性能指標(biāo)的關(guān)系，最終設(shè)計(jì)出滿足指標(biāo)要求的微帶天線。

在仿真設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)：改變介質(zhì)基板厚度h、貼片長(zhǎng)度L、貼片寬度W、介質(zhì)基板長(zhǎng)度LG和介質(zhì)基板寬度WG均可使天線的諧振頻率發(fā)生變化；改變介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)εr可使功率反射系數(shù)發(fā)生變化；改變傳輸線的長(zhǎng)度l可以使天線的增益發(fā)生變化；改變貼片之間的距離d可以使方向圖水平、俯仰寬度發(fā)生變化。不同的參數(shù)經(jīng)常是相互制約的，天線饋電設(shè)計(jì)時(shí)就需要對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行聯(lián)調(diào)[7]，以免顧此失彼。

圖4所示為阻抗匹配仿真圖，圖4(a)中，天線的諧振頻率較好地調(diào)節(jié)到了9.4 GHz，但此時(shí)的S參數(shù)只有-16 dB，說(shuō)明匹配程度還不夠；而在圖4(b)中，雖然通過(guò)改變介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)εr使得S參數(shù)達(dá)到了-32 dB，但此時(shí)諧振頻率卻發(fā)生了偏移。事實(shí)上，不僅是諧振頻率與阻抗匹配，幾乎所有的情況下，一個(gè)指標(biāo)或多個(gè)的提升同時(shí)會(huì)對(duì)應(yīng)著另一個(gè)指標(biāo)的變化，這時(shí)就

圖4 阻抗匹配仿真圖

需要根據(jù)以上確認(rèn)的天線尺寸參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系一點(diǎn)點(diǎn)地微調(diào)，直至滿足所有指標(biāo)要求。所設(shè)計(jì)的饋電形式結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 饋電形式結(jié)構(gòu)圖

最終天線的中心頻率較好地調(diào)整到了9.4 GHz附近，增益達(dá)到了12.38 dB，帶寬為700 MHz，方向圖水平寬度70°、俯仰寬度25°，完全滿足指標(biāo)要求。最終的天線參數(shù)如表1所示。

表1 天線參數(shù)表

4 仿真結(jié)果

4.1 S參數(shù)

圖6所示為S參數(shù)仿真曲線。由圖6可以看出，在9.4 GHz附近匹配良好，達(dá)到-20 dB，滿足設(shè)計(jì)要求；同時(shí)天線的工作帶寬達(dá)到700 MHz。

圖6 S參數(shù)仿真結(jié)果

4.2 方向圖及增益

圖7所示為天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖及增益仿真結(jié)果界面圖。由圖7可以看出，方向圖形狀良好，天線的增益達(dá)到了12.38 dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖及增益仿真結(jié)果界面圖

4.3 3 dB波束寬度

圖8所示為3 dB波束寬度仿真圖，其中圖8(a)為方向圖水平寬度仿真圖，圖8(b)為方向圖俯仰寬度仿真圖。由圖8可以看出，當(dāng)天線增益為12.38 dB時(shí)，天線的方向圖水平寬度為70°、俯仰寬度為25°，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 3 dB波束寬度仿真圖

5 結(jié)論

筆者分析了微帶天線的設(shè)計(jì)原理，根據(jù)微帶天線尺寸的計(jì)算公式得到微帶天線的大致尺寸，再利用CST軟件建立天線模型，通過(guò)軟件仿真和優(yōu)化不斷修改模型、調(diào)整天線的參數(shù)，設(shè)計(jì)出了中心頻率為9.4GHz、增益達(dá)到12 dB、帶寬為700 MHz、方向圖水平寬度為70°、俯仰寬度為25°的微帶貼片天線，并給出了天線特性的仿真曲線。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的微帶貼片天線滿足性能指標(biāo)要求。

[1] 劉藤.微帶天線的理論研究與工程設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué),2005.

[2] 賀秀蓮.微帶天線的數(shù)學(xué)建模理論與數(shù)值分析方法研究[D].西安：西安電子科技大學(xué),2005.

[3] 李艷.矩形微帶貼片天線的仿真研究與設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué),2011.

[4] 吳凌華.基于CST_ADS軟件的短波天線聯(lián)合設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué),2011.

[5] 來(lái)雪梅,王代華,張哲.基于HFSS的微帶天線設(shè)計(jì)與仿真[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2009(6):40-42.

[6] 韓玲,張志杰.微帶貼片天線的設(shè)計(jì)與仿真[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì),2006(1):269-271.

[7] 宋旭亮,朱義勝.微帶天線的設(shè)計(jì)和阻抗匹配[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008(1):73-75.

CHEN Zhangyou:Assoc. Prof.; School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430079, China.

[編輯：王志全]

Design on High-gain Wide-band Microchip Antenna

CHENZhangyou,LIFeiyi,QINMijia,CAIZiwei

A high-gain wide-band microchip patch antenna was designed. It works at the frequency of 9.4GHz. The design methods were presented. Based on CST, the modeling, simulation and calculation of the antenna were accomplished. The simulation results completely meet the design requirements. It can act as a good guide to the design of antenna.

microchip antenna; CST; antenna modeling; simulation and calculation

2015-04-02.

陳章友(1969-)，男，湖南澧縣人，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院副教授；博士.

2095-3852(2015)05-0548-04

A

TN82

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.05.005