一種接地板開槽的小型化蝶形天線設計

張　壹， 左建宏， 陳新偉， 張文梅

(山西大學 物理電子工程學院， 山西 太原 030006)

一種接地板開槽的小型化蝶形天線設計

張壹， 左建宏， 陳新偉， 張文梅

(山西大學 物理電子工程學院， 山西 太原 030006)

摘要:本文設計了一個新型小型化蝶形微帶天線， 該天線采用微帶饋線， 通過優(yōu)化輻射貼片和在接地板開槽的方法， 減小了天線尺寸， 最終所實現(xiàn)的天線尺寸為32 mm×32 mm， 與傳統(tǒng)蝶形天線相比尺寸減小23%. 測量結果表明： 天線S11<-10 dB的阻抗帶寬能達到120 MHz(2.49 GHz～2.61 GHz). 同時， 天線最大增益為2.5 dBi， 可以應用于無線傳輸領域.

關鍵詞:蝶形微帶天線； 阻抗帶寬； 天線增益

0引言

隨著個人通信裝備的不斷增加， 小型化緊湊的微帶天線得到很大程度的發(fā)展. 同時為了減少天線尺寸， 不少學者提出了各種方法， 比如電阻負載技術， 曲流技術和加槽技術等[1-3]; 在輻射貼片中刻蝕一個合適形狀的縫隙， 或者在接地板開槽的方法來減小天線尺寸[4]. 此外， 蝶形微帶天線可以減小尺寸并且增加帶寬[5]. 矩形微帶天線和蝶形微帶天線的輻射特性有相似之處， 而蝶形天線的面積卻有很大程度的減小[6]. 蝶形天線的帶寬調節(jié)是通過共面波導饋電的外延角來實現(xiàn)的， 也可以通過減少金屬化實現(xiàn)新穎的蝶形天線[7-9].

本文中， 通過優(yōu)化貼片結構和在接地板開槽的方法設計了一個小型化的蝶形天線， 并且給出設計公式. 和文獻[6]中的天線相比， 天線尺寸減小23%. 仿真和測量的結果表明： 該天線工作在2.49～2.61 GHz, 帶寬S11≤-10 dB是4.7%， 同時得到了天線最大增益為2.5 dBi.

1天線的設計

本文設計的天線如圖 1 所示， 該天線采用FR4介質基板， 相對介電常數(shù)4.4， 厚度1.6 mm， 整個尺寸為32 mm×36 mm， 天線的輻射單元是一個帶有微帶饋線的對稱蝶型貼片， 其中饋線長為h1寬為l2,微帶線的另一端與SMA接頭同軸探針相連. 接地板上有一個長為a寬為b的長方形槽. 不同的開槽尺寸所對應的阻抗曲線如圖 2 所示. 結果表明當接地板槽的面積變大時， 輸入阻抗的虛部變化很大， 而實部變化很小. 天線的諧振頻率隨著開槽面積的增大而降低. 在文獻[6]中， 作者提出一種修正公式， 用來修正對于TM10模結構的諧振頻率. 在本文中， 通過用下述公式來修正所設計的天線結構.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：h是介質厚度，ε是相對介電常數(shù)，wc是連間兩個蝶形天線間距，c是自用空間光速. 其他參數(shù)l1=32 mm,l=24 mm,l2=3.1 mm,w1=36 mm,w=28 mm,h1=12.5 mm,εr=4.4,α=45°.

通過上述公式計算了不同槽對應的諧振頻率， 并與仿真軟件HFSS的仿真結果做比較， 結果如表 1 所示， 兩個結果最大和最小的相對誤差分別為4.46%和0.40%. 仿真和計算結果表明長度b對天線的諧振頻率影響很大， 而長度a則幾乎沒有影響.

表 1　不同的參數(shù)對應的仿真和測量結果

圖 2　不同開槽尺寸對應的輸入阻抗曲線Fig.2　The antenna input impedance curve for various dimensions of the window

2結論和分析

圖 3　測量和仿真的S11結果Fig.3　Measured and simulated S11 for the antenna

通過式(1)～式(7)， 設計了一個工作頻率在2.55 GHz天線， 最終優(yōu)化尺寸為l1=32 mm,l=24 mm,l2=3.1 mm,w1=36 mm,w=28 mm,h1=12.5mm,ε=4.4,α=45°,a=16 mm,b=24 mm. 測量和仿真的S11結果在圖 3 中， 測量的阻抗帶寬為4.7%(2.49～2.61 GHz).

在圖 4 中， 描述了2.55 GHz時仿真和測量的輻射模式. 從圖 4 中可以看出， 仿真和測量的結果基本一致. 在E面主極化是8字形， 交叉極化水平比較低. 同時， 在H面得到較好的全向輻射特性和低的交叉極化.

圖 4　測量和仿真的天線輻射方向圖Fig.4　Measured and Simulated radiation pattern for proposed antenna

最后， 測量的天線在2.49～2.61 GHz的增益如圖 5 所示， 可以得出設計的天線增益工作頻率優(yōu)于0.25 dBi,最高增益是2.5 dBi.

圖 5　天線增益Fig.5　Measured gain for the antenna

3結論

本文設計了一個小型化蝶形微帶天線， 通過優(yōu)化天線的輻射貼片和接地板開槽的方法來減少天線的尺寸. 與文獻6的天線尺寸相比， 減少了23%. 仿真和測量的結果也表明， 天線工作在2.49～2.61 GHz， 相對帶寬4.7%. 同時， 設計的天線在相對穩(wěn)定性和全向輻射特性方面有所改進， 天線最大增益為2.5 dBi.

參考文獻：

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Design of the Miniaturized Bow-Tie Microstrip Antenna with a Slot in the Ground

ZHANG Yi, ZUO Jianhong,CHEN Xinwei， ZHANG Wenmei

(College of Physics and Electronics Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

Abstract:A novel miniaturized bow-tie microstrip antenna is proposed In this paper. The antenna is fed by the microstrip line. In order to reduce the size of the antenna, the optimized bow-tie patch and the ground plane with rectangular window is employed. Finally, the dimensions of the proposed antenna are 32 mm×32 mm. Compared with the traditional antenna, the antenna size is reduced by 23%.The measured results show that the impedance bandwidths for S11<-10 dB reach up to 120 MHz (2.49～2.61GHz). Meanwhile, the highest gain of the antenna is 2.5 dBi. It can be used in the wireless communication.

Key words:bow-tie microstrip antenna; impedance bandwidth; antenna gain

文章編號:1671-7449(2016)03-0227-04

收稿日期:2015-10-15

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61271160)； 山西省自然科學基金資助項目(2014021021-1)

作者簡介：張壹(1975-)， 男， 博士生， 主要從事射頻與微波通信研究.

中圖分類號:TN821+.3

文獻標識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.03.008