一種小型寬頻帶縫隙天線的設(shè)計(jì)

王代華 韓峰

關(guān)鍵詞： 縫隙天線; 寬頻帶; Ansoft HFSS; 模型仿真; 結(jié)構(gòu)優(yōu)化; 無線通信

中圖分類號： TN822+.8?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）03?0031?04

Abstract： A novel compact minitype broadband microstrip antenna working in 10 GHz broadband is designed， which takes FR4 with the size of 24 mm×23 mm×1.6 mm as its substrate. A slot composed of regular hexagon and symmetrical cross type patches is designed in the center location of substrate ground plane to enlarge the working bandwidth. The microstrip line is located in the opposite side of the substrate. The electromagnetic simulation software Ansoft HFSS is used to perform the model simulation and structure optimization for the antenna. The antenna was processed and tested. The results show that the working bandwidth of the antenna covers the range of 3.6～13.6 GHz， the impedance bandwidth can reach up to 116%， and the antenna has perfect radiation characteristic in the frequency band. The reflection loss curves and radiation pattern are given. The test results are basically the same with simulation results. The design provides a certain reference for the study on broadband wireless communication.

Keywords： slot antenna; broadband; Ansoft HFSS; model simulation; structure optimization; wireless communication

0 ?引 ?言

小型縫隙天線在雷達(dá)、遙測與移動(dòng)通信等領(lǐng)域扮演著重要角色。微帶縫隙天線具有體積小、剖面低、重量輕、成本低、加工容易、易于集成和實(shí)現(xiàn)寬帶和多頻等眾多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)結(jié)合通信系統(tǒng)小型化、輕型化的發(fā)展趨勢和需求，微帶縫隙天線在移動(dòng)通信領(lǐng)域有著極大的社會需求，良好的市場前景和應(yīng)用前景[1?3]。根據(jù)對超寬帶頻段中電流的分布分析可知，電流在低頻段時(shí)分布在單極天線邊緣的垂直平面上，在高頻段時(shí)分布在平行面上[4]，這表明可以在貼片天線上開槽來提高天線帶寬。此外，在天線接地面開導(dǎo)體槽對于實(shí)現(xiàn)天線寬頻帶特性有著重要作用，因?yàn)樗梢栽诓桓淖兲炀€大小的情況下調(diào)整接地面和寄生貼片之間的耦合電容，進(jìn)而改善其阻抗帶寬[5]。

文獻(xiàn)[6]提出一種帶寬為3.12 GHz，大小為37 mm×37 mm的縫隙天線，通過在基底接地面開一個(gè)正方形縫隙，在縫隙中間加載一個(gè)形狀相似的導(dǎo)體貼片來增加帶寬。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)一種帶寬為8 GHz，接地面是C型槽和L型相結(jié)合的縫隙與T字型寄生貼片組成的小型化縫隙天線。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)一種頻率可重構(gòu)縫隙天線，在基片一側(cè)刻蝕出非對稱十字形和矩形結(jié)合的貼片，反面是一個(gè)相似的非對稱十字形導(dǎo)體貼片。該天線帶寬為8.2 GHz。文獻(xiàn)[9]提出一種超寬帶縫隙天線，該天線由嵌入在T形枝節(jié)上的縫隙和地板上的縫隙構(gòu)成一個(gè)兩階濾波器來實(shí)現(xiàn)其選擇性和寬頻的特性。文獻(xiàn)[10]采用在輻射貼片開H型槽和開C型槽的方法實(shí)現(xiàn)在WiMAX頻段和WLAN頻段帶阻抑制特性的平面超寬帶天線。

目前主要是在頻帶上對六邊形縫隙天線進(jìn)行研究，如實(shí)現(xiàn)多頻或者拓寬頻帶[9?10]天線。本文設(shè)計(jì)一種在正六邊形縫隙環(huán)中加載一個(gè)對稱的十字形貼片縫隙天線，諧波與雜散波的抑制能力增強(qiáng)，在3.6～13.6 GHz頻段內(nèi)回波損耗均低于-10 dB，帶寬達(dá)到了10 GHz。該天線結(jié)構(gòu)簡單緊湊，尺寸微型化（25 mm×25 mm），有較穩(wěn)定的輻射特性，可用于飛行器與地面的數(shù)據(jù)通信，可作為便攜式衛(wèi)星接收信號終端的天線，能有效擴(kuò)展使用頻段，在厘米波探測及通信領(lǐng)域有廣泛的使用價(jià)值。

1 ?天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

設(shè)計(jì)的縫隙天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，以介電常數(shù)為4.4，正切損耗為0.02的環(huán)氧樹脂（FR4）為基板，其長為[W1]，寬為[W2]，在基板接地金屬面的中心是一個(gè)正六邊形的縫隙。一方面通過該縫隙輻射貼片和接地面之間進(jìn)行電磁耦合，不斷改變縫隙的結(jié)構(gòu)和饋電結(jié)構(gòu)來改變其耦合電容的大小，從而使天線在很寬的頻段內(nèi)阻抗都能相匹配。另一方面，微帶線給六邊形縫隙進(jìn)行饋電，產(chǎn)生多個(gè)諧振點(diǎn)，這些諧振頻率相重合，當(dāng)達(dá)到天線的最高和最低諧振頻率時(shí)可以有效增加帶寬。正六邊形的邊長為[s]，頂點(diǎn)距離中心位置為[n]，在縫隙的中心是一個(gè)對稱交叉的十字型貼片，其尺寸如圖1中的[a]和[b]。在介質(zhì)板的另一側(cè)采用特征阻抗為50 Ω的微帶線饋電，如圖1b）所示，其寬度為[e]，高度為[g]。

2 ?天線的仿真優(yōu)化分析

該天線采用商業(yè)軟件Ansoft HFSS軟件對所有參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先討論改變縫隙的大小對帶寬的影響，而縫隙的大小受對稱十字交叉型貼片的結(jié)構(gòu)參數(shù)[a]和[b]以及正六邊形的結(jié)構(gòu)參數(shù)[n]的影響。先分別設(shè)定[a]的變化范圍為0.7～2.7 mm，[b]的范圍為2.6～4.6 mm，對參量[a]和[b]進(jìn)行參數(shù)掃描分析，研究十字交叉型貼片對天線帶寬的影響，仿真結(jié)果如圖2所示。

由圖2a）可知，隨著[a]的增大，天線的帶寬在增大。當(dāng)[a=]2.7 mm時(shí)，在頻率為5.2 GHz處，回波損耗為-8.82 dB，大于-10 dB，不符合天線的工作要求，當(dāng)[a=]1.7 mm時(shí)，天線帶寬達(dá)到最大為10.1 GHz（3.6～13.7 GHz）。由圖2b）可知，隨著[b]的增大，增強(qiáng)了寄生貼片與接地面之間的耦合，從而增加了它們之間的等效電容，導(dǎo)致頻帶內(nèi)低端諧振頻率降低，當(dāng)[b=]3.6 mm時(shí)，天線帶寬達(dá)到最大為9.93 GHz（3.62～13.55 GHz）。

圖3a）為改變六邊形大小對帶寬的影響，通過改變[n]的值來調(diào)整縫隙區(qū)域的面積，此時(shí)[a=]1.7 mm，[b=]3.6 mm。從圖中可見，隨著[n]的增大，低端諧振頻率降低，由于當(dāng)[n=]9.4 mm和[n=]11.4 mm時(shí)中間均有部分頻率的回波損耗大于-10 dB，不滿足天線工作要求，故當(dāng)[n=]10.4 mm時(shí)，帶寬為9.9 GHz（3.67～13.58 GHz）。

圖3b）為回波損耗隨[g]變化對帶寬影響的曲線，通過改變微帶饋線的高度[g]可以改變微帶饋線和輻射貼片之間的耦合縫隙大小，[g]的變化范圍為9.6～11.6 mm，其他參量保持不變。由圖可知，隨著微帶饋線長度的增加，低端諧振頻率也增大，這是由于寄生貼片與微帶饋線之間的等效電容在減小，當(dāng)[g=]10.6 mm時(shí)，帶寬達(dá)到了10 GHz（3.66～13.65 GHz）。

通過HFSS進(jìn)行模型優(yōu)化確定最優(yōu)尺寸后，選擇分別在4 GHz，8 GHz和12 GHz三個(gè)頻點(diǎn)處進(jìn)行了E面（[Z?X]平面）和H面（[Z?Y]平面）的輻射方向圖的仿真，如圖4所示。

由圖4可知，該天線隨著頻率的增加從4～8 GHz H面輻射方向圖顯示出近全向輻射特性，頻率增大到12 GHz時(shí)，H面輻射特性變化不大，所以H面在工作頻帶范圍內(nèi)具有穩(wěn)定，全向輻射特性。而E面呈雙向性，在4 GHz時(shí)，天線輻射特性較好，在8 GHz時(shí)，方向圖稍有變形，但其輻射特性也很好，當(dāng)頻率達(dá)到12 GHz時(shí)，高次諧波使E面出現(xiàn)了副瓣。

天線電流分布圖與實(shí)物圖如圖5所示。從電流分布圖可知，在饋電口電流較大，即饋電口對天線的影響較大，要想使天線性能更佳，可以對其進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化。

圖5b）為天線實(shí)物圖，通過采用Ansoft HFSS軟件對天線若干參量的優(yōu)化分析，得出的最優(yōu)尺寸為[a=]1.7 mm，[b=]3.6 mm，[e=]1.6 mm，[g=]10.6 mm，[n=]10.4 mm，[W1=W2=]25 mm。根據(jù)該尺寸加工出天線實(shí)物。

3 ?結(jié)果與討論

對實(shí)物使用安捷倫N5224A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線的回波損耗進(jìn)行測試，圖6為回波損耗仿真與測試結(jié)果。

從圖6可知，該天線測試的帶寬和仿真的帶寬相差不大，但是也存在一定的誤差，且在不同諧振點(diǎn)處回波損耗[S11]的實(shí)測值與高頻電磁仿真軟件HFSS 的模擬結(jié)果存在一定的誤差。這是因?yàn)樘炀€在加工過程中制造精度存在一定的誤差，寄生貼片幾何尺寸的微小變化可能會對結(jié)果產(chǎn)生較大的變化。也可能是天線輻射貼片的金屬銅產(chǎn)生氧化作用，形成氧化銅，從而對輻射性能也會產(chǎn)生一定程度的影響。另外，天線的焊接處接觸不良也會引起一定的損耗，在測試過程中，測試接口、測量環(huán)境以及外界的雜波都會引入一定的損耗，都會使測試結(jié)果產(chǎn)生一些不可避免的誤差。在微波暗室中，墻壁吸波不完全，同時(shí)也不能完全隔離外界雜波。在測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天線的位置有微小變動(dòng)時(shí)，測試結(jié)果會發(fā)生很大變化;當(dāng)用兩個(gè)不同的分析儀器測量時(shí)會發(fā)現(xiàn)結(jié)果也會很不一樣。

4 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計(jì)一種縫隙由正六邊形和對稱十字形組成的小型化寬頻帶天線。通過調(diào)整縫隙的大小以及縫隙與饋電線的耦合實(shí)現(xiàn)寬頻帶，使用HFSS軟件仿真優(yōu)化得出最優(yōu)尺寸，使天線結(jié)構(gòu)與縫隙的各項(xiàng)參數(shù)更為合理，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線實(shí)物的回波損耗進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，該天線的阻抗帶寬（VSWR<2）為10 GHz（3.6～13.6 GHz），有效改善了一般小型縫隙天線頻帶窄的缺點(diǎn)，在E面和H面均具有良好的輻射特性。該天線結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸較小，提高了阻抗帶寬，易于加工，使用一般PCD加工方式，方便集成且易于與各種設(shè)備或電路集成，成本低，便于大批量生產(chǎn)，符合無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用需求以及寬帶無線局域網(wǎng)（WLAN）的應(yīng)用需求，是一種有著較好性能且具有一定實(shí)用價(jià)值的天線。

注：本文通訊作者為王代華。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡得水.微帶縫隙天線的研究與設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

CAI Deshui. Research and design of microstrip slop antenna [D]. Xian： Xidian University， 2012.

[2] QIAN K， TANG X. Compact LTCC dual?band circularly pola?rized perturbed hexagonal microstrip antenna [J]. IEEE antennas & wireless propagation letters， 2011， 10（9）： 1212?1215.

[3] SIDANA Y， CHAUDHARY R K， SRIVASTAVA K V. A novel dual?band hexagonal patch antenna coupled with complementary split ring resonator [C]// Proceedings of 2012 Asia Pacific Microwave Conference. Kaohsiung： IEEE， 2012： 1343? 1345.

[4] JUNG J. A compact broadband antenna with an L?shaped notch [J]. IEICE transactions on communications， 2006， 89（6）： 1968?1971.

[5] PAN C Y， HORNG T S， CHEN W S， et al. Dual wideband printed monopole antenna for WLAN/WiMAX applications [J]. IEEE antennas & wireless propagation letters， 2007， 6（11）： 149?151.

[6] SUNG Y. Bandwidth enhancement of a microstrip line?fed printed wide?slot antenna with a parasitic center patch [J]. IEEE transactions on antennas & propagation， 2012， 60（4）： 1712?1716.

[7] XU J， SHEN D， ZHENG J， et al. A novel miniaturized UWB antenna with four band?notches [J]. Microwave & optical technology letters， 2013， 55（6）： 1202?1206.

[8] KUMAR S， KANAUJIA B K， DWARI S， et al. Analysis and design of switchable rectangular monopole antenna using asymmetric cross slot for wireless communication [J]. Wireless personal communications， 2016， 89（1）： 119?133.

[9] 張涌萍，楊汝.具有優(yōu)越陷波選擇性和帶寬的超寬帶縫隙天線[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（15）：86?88.

ZHANG Yongping， YANG Ru. UWB slot antenna with superior band?notched selectivity [J]. Modern electronics technique， 2014， 37（15）： 86?88.

[10] 郭世宇，華偉，崔琳.具有多阻帶特性的超寬帶天線研究與設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（9）：68?69.

GUO Shiyu， HUA Wei， CUI Lin. Research and design of UWB antenna with multiple band?notched characteristic [J]. Modern electronics technique， 2015， 38（9）： 68?69.