不同形狀微帶貼片天線性能比較

王英東 ，張立娟 ，劉芳煥 ，趙全明

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué) 天津市電子材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300401）

0 引言

微帶貼片天線具有重量輕、薄型化、生產(chǎn)成本低等優(yōu)于其他天線的特點(diǎn)，并且易于與光電集成電路（OEIC）和微波單片集成電路（MMIC）兼容.由于這些極具吸引力的特征，研究人員對微帶天線非常重視[1-2].近年來無線通信的廣泛普及增加了對緊湊型寬帶天線的需求，但是由于微帶貼片天線自身高Q值的特點(diǎn)，使得其具有低增益和窄帶寬的缺點(diǎn).

為了克服固有的局限性，近年來很多學(xué)者已經(jīng)提出并研究了多項(xiàng)技術(shù)，例如探針饋電天線，具有厚基板電路的貼片天線，堆疊的短路貼片和開槽貼片天線[3].本文所采用的是疊層微帶線耦合饋電技術(shù)，天線包含3個(gè)導(dǎo)電層和兩個(gè)電介質(zhì)層.上層為輻射貼片，中間層為微帶線饋電層，下層假設(shè)為無限大的理想接地板.耦合饋電的微帶貼片天線具有兩種不同介電常數(shù)的電介質(zhì)層，將天線的3個(gè)導(dǎo)電層分割開來，并且上層電介質(zhì)層具有較低的介電常數(shù)以降低貼片天線自身的Q值以展寬帶寬.

微帶貼片天線的輻射貼片有不同的形狀，例如方形、六邊形、矩形、圓形、橢圓形、圓盤扇形、圓環(huán)、三角形和環(huán)形部分[4]等等.在本文中，采用控制變量法，在保持其他條件相同的前提下，對等面積的正六邊形、三角形和圓形3種不同形狀輻射貼片的微帶天線進(jìn)行設(shè)計(jì)和比較分析.

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 正六邊形微帶貼片天線

正六邊形貼片相比于其他形狀的貼片，其邊緣的棱角變化緩慢，這就使得電流在貼片表面流過的時(shí)候更加平緩，這樣的特性能夠使得中心頻點(diǎn)附近的頻率更加滿足對于諧振的要求，可以相對展寬帶寬.這里所說的展寬帶寬只是一個(gè)相對概念，即相對于其他普通微帶天線可以適當(dāng)展寬帶寬.六邊形貼片天線的諧振頻率計(jì)算公式[5]如下

其中：fc為中心諧振頻率；波速c=3×108m/s；Seff為六邊形貼片的有效邊長；ΔL為等效長度的變化量；εr、εeff、h、W分別為介質(zhì)基片的相對介電常數(shù)、有效相對介電常數(shù)、厚度和六邊形貼片的寬度.

1.2 三角形微帶貼片天線

該設(shè)計(jì)采用的三角形輻射貼片為等邊三角形，天線包含3個(gè)導(dǎo)電層和2個(gè)電介質(zhì)層，饋電方式同樣為微帶線耦合饋電.三角形的中心位于電介質(zhì)層中心靠上，通過改變等邊三角形的邊長a可以調(diào)節(jié)天線的諧振頻率，其計(jì)算公式如下[6]

其中：kmn為諧振模式；b為三角形貼片的邊長.

1.3 圓形微帶貼片天線

其中，R和Re分別為圓形貼片的半徑及有效半徑.

1.4 微帶線

由于微帶饋線法制作簡單，可以在介質(zhì)基板上通過蝕刻技術(shù)制作而成，而同軸線往往制作復(fù)雜，而且不利于天線的小型化要求，所以采用微帶線饋電.該設(shè)計(jì)中采用50 Ω微帶線饋電，寬度計(jì)算公式[8]如下

同時(shí)，為了抑制高次模的影響，微帶線的寬度和高度要滿足以下的條件

其中：w和q分別為微帶線的寬度和高度；ZC為微帶線的特性阻抗；λmin為最短工作波長.

2 天線模型及仿真

3種所設(shè)計(jì)的天線均為3個(gè)導(dǎo)電層（理想接地板、微帶線、輻射貼片）和2個(gè)電介質(zhì)層（上、下介質(zhì)層），模型如圖1所示.微帶線通過耦合饋電的方式將電磁波耦合到頂層導(dǎo)電層的輻射貼片，從而將能量發(fā)射出去．2個(gè)介質(zhì)層均為22 mm×22 mm的正方形，由于低密度的泡沫材料可以實(shí)現(xiàn)低損耗和高的輻射效率，所以上層電介質(zhì)為硬質(zhì)泡沫材料，介電常數(shù)εr1=1.07，厚度h1=0.8 mm；下層電介質(zhì)為FR4環(huán)氧板，介電常數(shù)εr2=4.4，厚度h2=1 mm.采用50 Ω微帶線饋電，長度為25 mm，寬度為1.8 mm.天線的接地平面不可能做到無限大的理想狀態(tài)，因此所設(shè)計(jì)天線的接地板為有限金屬平面，并且全部覆蓋介質(zhì)基板的背面.對于輻射貼片、微帶線以及接地平面，所選材料都為金屬銅.

3種天線的輻射貼片模型如圖2所示.3個(gè)輻射貼片的表面積相等，均為260 mm2.

貼片各自的結(jié)構(gòu)尺寸如下：正六邊形貼片的寬度W=20mm，L=17.32mm；等邊三角形的邊長b=24.5 mm；圓形貼片的半徑為R=9.1 mm，且3個(gè)貼片中心與介質(zhì)層的中心重合.采用基于有限積分法的CST電磁仿真環(huán)境對所設(shè)計(jì)的3種不同形狀輻射貼片微帶天線進(jìn)行仿真，得到的反射系數(shù)S11結(jié)果如圖3所示.

仿真得到所設(shè)計(jì)天線在中心諧振頻率下的電流分布如圖4所示.由圖可知，3種天線的電流都集中在輻射貼片的邊緣區(qū)域，并且有些部分并沒有輻射能量.因此可以通過分析天線電流分布來去掉不輻射的部分，這是實(shí)現(xiàn)天線的小型化的一種簡單有效的途徑.

圖1 耦合饋電微帶貼片天線示意圖Fig.1 Schematic diagram of coupled microstrip patch antenna

圖2 3種天線輻射貼片模型Fig.2 Models of three microstrip patch antennas

圖3 3種微帶貼片天線的S11Fig.3 S11 of three patch antennas

圖4 3種天線的電流分布Fig.4 Current distribution of three antennas

對于所設(shè)計(jì)天線輻射特性的研究，采用平面方向圖和立體方向圖來分析.這里所提到的二維平面是以兩組主切削形成的平面作為E面和H面，即φ=90°和φ=0°2個(gè)平面.參考在球坐標(biāo)系下的天線幾何結(jié)構(gòu)，E平面是YOZ平面，H平面是XOZ平面.這里給出了E面、H面的方向圖，如圖5所示.3種天線的三維立體方向圖如圖6所示.由平面和立體方向圖都可以明顯看出，3種天線均為單一方向輻射，且輻射方向都在參考坐標(biāo)系的Z軸正方向.

（1）對項(xiàng)目工程建立臺賬，在一個(gè)路橋項(xiàng)目中的賬目是很多的。因?yàn)槁窐虻慕ㄔ熘杏玫降牟牧戏倍?，用到的機(jī)械種類也很多。在整個(gè)過程中產(chǎn)生很多的賬目。對于這些賬目的管理可以通過見了工程臺賬，來對這些項(xiàng)目進(jìn)行細(xì)致的管理。對于工程中的工程材料等重要的賬目進(jìn)行主要的管理。對工程的整體進(jìn)行賬目管理，列出明確的賬目清單。通過這種方式可以大大提高工程計(jì)量的準(zhǔn)確性，減少損失。一個(gè)好的臺賬可以為工程項(xiàng)目提供賬目支持。

圖5 天線E面和H面方向圖Fig.5 Radiation pattern of E-plane and H-plane

圖6 天線的三維立體方向圖Fig.6 3D radiation pattern of three antennas

天線增益隨頻率的變化曲線如圖7所示.由圖可以看出，圓形和六邊形天線的增益隨頻率變化較平穩(wěn)，而三角形天線的增益變化幅度卻非常大.

天線總輻射效率隨頻率的變化趨勢如圖8所示.

3 結(jié)果分析

根據(jù)上面的仿真結(jié)果，均采用50 Ω微帶線耦合饋電的3種不同形狀等面積的貼片天線，正六邊形、三角形、圓形微帶貼片天線的中心諧振頻率、回波損耗、阻抗帶寬、相對帶寬、增益、主瓣方向性系數(shù)等參數(shù)整理如表1所示.

圖7 天線增益隨頻率的變化曲線Fig.7 The variation curve of gain with frequency

從圖3以及表1均可以看出，在等面積情況下，當(dāng)輻射貼片形狀為正六邊形時(shí)，天線具有最佳的帶寬424.3 MHz，高于其他兩種貼片天線.同時(shí)，在中心諧振頻率處六邊形貼片天線具有最小的回波損耗，達(dá)到了-37.43 dB，這充分體現(xiàn)了天線良好的匹配性能.六邊形貼片天線增益雖然略高于圓形貼片天線，但也相差無幾，因此就天線增益而言在實(shí)際應(yīng)用中不存在明顯優(yōu)勢.從表1中的主瓣方向性系數(shù)可以看出，六邊形貼片天線的數(shù)值相對三角形和圓形貼片最大，說明六邊形天線的能量輻射更集中，性能更加優(yōu)越.由圖8同樣可以看出，在3種天線中六邊形天線的輻射效率最大為0.863 3，三角形天線為0.805 2，圓形天線為0.838 2，這充分說明六邊形自身消耗功率最小，能量輻射效率最優(yōu).圓形貼片天線的帶寬以及方向性特性雖不如六邊形天線，但是相對于三角形貼片天線來說，圓形貼片天線具有寬帶寬、高增益以及強(qiáng)方向性等優(yōu)越特性.三角形貼片天線具有窄帶特性.

由圖5中3種天線的E面和H面的方向圖可以看出，3種天線存在同樣一個(gè)缺點(diǎn)，就是主瓣的半功率角度都比較大，均在60°以上，這說明3種天線的能量輻射還是不夠集中.在3種天線中，六邊形天線在E面和H面的主瓣幅值最大，為8.04dB，半功率角度最小為64.3°.因此相對于其他兩種天線來說，依然是六邊形天線的輻射性能最佳.

對所設(shè)計(jì)的3種微帶貼片天線進(jìn)行了加工制作，實(shí)物如圖9所示.由于低密度泡沫板不能用雕刻機(jī)進(jìn)行機(jī)械加工制作只能手工切割，而且所設(shè)計(jì)泡沫板的厚度比較薄，因此只切割與輻射貼片同等大小的薄片來盡量減小尺寸誤差.對加工的天線采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent N5244A對其S11參數(shù)進(jìn)行測量，得到的數(shù)據(jù)在MATLAB軟件中進(jìn)行綜合處理，所得的3種天線S11曲線比較圖如圖10所示.

由測量所得的3種微帶天線的S11曲線比較圖可以看出，3種天線的實(shí)測中心諧振頻率較仿真結(jié)果來說都有漂移，并且實(shí)測頻率要大于仿真結(jié)果.六邊形天線實(shí)測頻率大概在6.9 GHz左右，天線阻抗帶寬的實(shí)測值為570 MHz，比仿真值要寬大概130 MHz.三角形天線的測量頻率為5.7 GHz，帶寬為260 MHz.圓形天線中心頻點(diǎn)為6.8 GHz，帶寬為380 MHz左右.實(shí)測頻率和帶寬與仿真結(jié)果存在差異的原因，是由于天線實(shí)際加工時(shí)雕刻機(jī)的精度存在一定的誤差，導(dǎo)致天線的頻率產(chǎn)生一定的飄移，但其S11曲線變化的趨勢保持一致.

圖8 天線總輻射效率隨頻率的變化曲線Fig.8 The variation curve of total efficiency with frequency

表1 3種貼片天線性能比較Tab.1 Comparison of performance for three patch antenna

圖9 3種微帶天線實(shí)物加工圖Fig.9 Photograph of fabricated microstrip patch antennas

圖10 3種微帶貼片天線實(shí)物測量結(jié)果比較圖Fig.10 Comparison of measurement results of the three microstrip antennas

因此，3種天線進(jìn)行實(shí)物后測量的結(jié)果證實(shí)了仿真所得的結(jié)論，即所設(shè)計(jì)的3種可用于C波段的微帶貼片天線，在輻射貼片等面積的前提下，與傳統(tǒng)的三角形和圓形貼片天線相比，正六邊形微帶貼片天線具有更寬的阻抗帶寬，因此在工程實(shí)際中可以得到更廣泛的應(yīng)用.

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)并仿真實(shí)現(xiàn)了可應(yīng)用于C波段的正六邊形、三角形、圓形3種貼片形狀的微帶貼片天線，采用50Ω微帶線耦合饋電，利用3個(gè)導(dǎo)電層和2個(gè)電介質(zhì)層的疊層結(jié)構(gòu)以及低介電常數(shù)的上層電介質(zhì)，使天線的帶寬得以展寬，使得天線的性能更加優(yōu)化.對天線的實(shí)物進(jìn)行了加工制作并進(jìn)行實(shí)際測量，與三角形和圓形貼片天線相比，正六邊形貼片天線具有更佳的帶寬和輻射性能.

[1] Jahagirdar D R，StewartR D.Non-leaky conductor backed coplanar wave guide-fed rectangular microstrip patch antenna[J].IEEE Microwave and Guided-Wave Letters，1998，3：115-117．

[2]Pattnaik S S，Gianluca Lazzi，Om.P Gandhi.On the use of wide-band high-gain microstrip antenna for mobile telephones[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine 1998，40（1）：88-90．

[3]Herscovici N.Newconsiderations in the design of microstrip antennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2002，AP-46：6，807-812．

[4] Kiruthika R，Shanmuganantham T.Comparison of different shapes in microstrip patch antenna for X-band applications[C]//2016 International Conference on Emerging Technological Trends（ICETT），2016：1-6．

[5] 楊放，衛(wèi)銘斐，王民，等.圓極化六邊形微帶貼片GPS天線[C]//2015年全國微波毫米波會議，2015：245-248．

[6]Fazal D，Khan Q U，Ihsan M B.Use of partial Koch boundaries for improved return loss,gain and sidelobe levels of triangular patch antenna[J].IEEE Electronics Letters，2012，48：15．

[7] Swati Shrivastava，Abhinav Bhargava.A comparative study of different shaped patch antennas with and without slots[J].International Journal of Engineering Development and Research，2014，2（3）：3306-3312．

[8] 鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安：西安電子科學(xué)大學(xué)出版社，1991：4-7．