新型的树状结构宽频带天线

1 引言

随着无线通信、微波集成技术的飞速发展，对低剖面天线，特别是微带天线的需求日益迫切。虽然微带天线已经出现了50余年，但直到近20余年国际上才对其进行了广泛的研究与应用[1, 2]。微带天线具有体积小、总量轻、低剖面、能与载体共型等优点[3]，但其最大的缺点就是频带过窄，仅有大概5%。近年来有很多种技术用来提高微带天线的带宽，如L型探针技术[4] 、U型槽加载或环槽加载技术[5, 6] 、多层结构[7]。

基于上述研究背景，本文提出了一种新型的树状结构宽频带天线。其制作在一个小的介质板上（30mm×30mm），满足现代无线通信系统中对天线体积的要求。通过用电磁仿真软件进行仿真，天线的带宽从4.04GHz到6.31GHz，相对于中心频率5.2GHz, 天线的相对带宽达到43.7%，能辐射类似偶极子的方向图。其能够有效覆盖IEEE802.11a与HIPERLAN/2频段(5～6GHz)。对比前面提到的天线[4, 5, 6, 7]，此天线拥有简单的结构和较大的带宽。

2 天线结构

提出的天线结构如图1所示，其制作在相对介电常数为4.4，厚度为0.8mm的FR4介质板上（Lsub×Wsub），为了提高天线的带宽，背面采用部分地结构（Lg×Wsub）。天线的正面由三个等腰直角三角型层叠而成，所以直观上看天线是由两个等腰梯形和一个等腰直角三角形组成，其中L1+6=L2，L2+8=L3，W2+4=W1。天线贴片的终端与50W微带线（Lf×Wf）相连接用以馈电。

图1 天线的结构示意图

用电磁仿真软件优化得到的天线参数见表1。

表1 天线具体的参数

天线参数	尺寸(mm)
Wsub	30
W1	7.8
W3	1.5
Wf	1.4
L1	3
Lf	12
Lg	10.5
Lsub	30

3 仿真与分析

如图2所示为天线的回波损耗仿真结果。通过调整W1，L1，Lg可使天线的带宽达到最大。仿真结果表明，天线在4.04～6.31GHz的范围内回波损耗低于-10dB，在5.68GHz回波损耗小于-30dB。

图3为L1变化时，而其他参数保持恒定时，天线的回波损耗对比图。当L1变化时(L2 ,L3也相应变化)，其影响天线的带宽与匹配性能。由图可知，当L1=3mm时，带宽与匹配达到最优。图4为W1变化时（W2也相应变化），天线的回波损耗对比图。当W1=7.8mm时，天线的带宽与匹配达到最优，且能在5GHz～6GHz内回波损耗达到最小。当Lg变化时，天线的回波损耗变化显示在图5中。由图可知，Lg极大的影响带宽与匹配性能，所以设计此天线时应充分考虑Lg对天线性能的影响。本设计中Lg取10.5mm。

图2 天线的回波损耗仿真结果

图3 L1变化时天线的回波损耗

图4 W1变化时天线的回波损耗

图6为天线在低频4.04GHz，中频5.2GHz，高频6.31GHz的方向图。由图可知天线能辐射类似偶极子的方向图，且不随频率改变而发生明显改变。图7为天线在工作频带内的增益图，增益最大为2.34dBi，最小1.51dBi。

图5 Lg变化时天线的回波损耗

(a)

(b)

(c)

图6 天线在4.04GHz(a)5.2GHz(b)6.31(c)的E面和H面方向图

图7 天线增益的仿真结果

4 结论

本文提出了一种新型的树状结构宽频带天线，通过调整参数，天线可工作与4.04GHz～6.31GHz，相对带宽可达到43.7%，5.68GHz回波损耗小于-30dB。其能在工作频带内辐射类似于偶极子的方向图。且其尺寸较小（30mm×30mm×0.8mm），可以应用于对天线尺寸有严格要求的无线通信系统。