宽频化与小型化微带天线的研究与设计

摘要 以微带天线技术为基础，以工作于ISM频段微带贴片天线为例，采用Ansoft公司的电磁仿真软件HFSS，对不同介电常数、不同介质板厚度、矩形贴片开槽开缝、加载寄生贴片等微带贴片天线进行了仿真。通过数值分析，阐述了介电常数、基板厚度、贴片开槽、寄生贴片等因素对微带贴片天线尺寸和频带宽度的影响。仿真结果表明，设计能够实现两种性能的天线结果，天线的宽度达到36％。天线的尺寸缩小了34．2％。
关键词 微带天线；小型化；宽频化

微带天线由于具有剖面低、体积小、重量轻，易与飞行器共形、易与有源器件和电路集成，并且便于获得圆极化，容易实现双频、双极化等优点，被广泛应用于卫星通信，雷达、移动通信等无线电设备中。但微带天线自身存在频带窄、易激励表面波、功率容量小的缺点，限制了它的应用。为提高收发通信系统的工作性能和效率，宽频小型化微带天线的研究成为夭线领域中的一个主要研究方向。常用的展宽微带天线频带的方法有：增大基片厚宽h、降低相对介电常数εr、附加寄托生贴片、加载短路探针、附加阻抗匹配网络等。天线小型化的方法有：采用高介电常数的介质基板、加载技术、曲流技术。

1 微带天线宽频化与小型化设计与仿真
设计了一个单贴片矩形微带天线，图1为设计的微带天线的基本单元，为下面天线宽频、小型化性能的分析提供了基础。基本天线的设计指标为天线的中心频率2．45 GHz；天线的驻波VSWR≤2；天线回波损耗S11-10 dB；天线的增益6 dB。

微带天线设计为线极化天线。选择介质基板的介电常数εr=2．2 RT／Duroid5880材料，介质基板高度为h=0．32 cm，采用同轴探针馈电，利用HFSS进行建模，并进行优化得到要求的参数值。优化后天线的贴片尺寸：长L=3．82 cm；宽W=3．8 cm；基板尺寸：LG=8 cm，WG=7 cm；同轴探针的位置为xf=-0．7 cm，yf=0 cm。

1. 1 微带天线宽频化仿真设计
一般情况下，在采用低介电常数介质材料的同时，增加介质基板的厚度是大幅度增加天线带宽的有效手段，如图2所示。

但对于同轴馈电天线而言，在介质基板厚度增加的同时，会导致同轴探针过长，这样则会引入大电感，使得天线在输入端口失配，从而导致带宽大小的降低。在贴片表面开槽，可以引入电感来补偿由于探针加长产生的电感。设计者通常采用的方法是在辐射贴片上开U形槽，以此来补偿探针引入的电感。此方法可以使天线获得近30％的带宽(S11-10 dB)。除了开U形槽外，还有一些其他的缝隙形状可以补偿探针引入的电感以展宽天线的频带宽度。比如，在贴片上与非辐射边平行对称地开两条缝隙，便构成了E形贴片天线。设计一个E形贴片天线，如图3所示。

1．2 微带宽天线小型化仿真设计
在贴片上开槽可以弯曲天线贴片表面激励电流的路径，从而增加天线贴片的有效长度，使天线谐振频率降低。文中蝶形天线实例主要依据曲流技术设计。

图4为天线结构模型上的电流分布。从图中可以看出，通过在天线上开槽，使常规的天线表面路径弯曲，这样就大幅增加了天线贴片的电流有效长度，从而使天线的谐振频率降低，对于固定的天线谐振频率，天线的尺寸可以有效地得到缩小。

2 仿真结果分析与讨论
图5为E形微带天线和只增加厚度和降低介电常数的矩形微带天线S参数的比较。从图中可以看出，矩形微带天线由于过长的同轴探针的影响，使得天线阻抗失配，导致天线在S11-10 dB的范围内没有带宽。但是，E形微带天线在S11-10 dB时带宽范围为2．3～3．3 GHz，绝对带宽为1 GHz，相对带宽达到36％，远大于同样大小的基本微带天线的带宽。频带展宽主要是因为两条平行缝隙补偿了同轴探针引入的电感，使得阻抗匹配，并且在2．49 GHz和2．99 GHz附近有明显的谐振特性，因此，能够展宽天线的带宽。

要保证天线的谐振频率为2．45 GHz不变，就需要减小天线尺寸，这样就达到了天线小型化的目的。

设蝶形中心宽度为W，如图7所示，蝶形贴片的中心宽度不同，其得到的谐振频率点也不同，随着中心频率点的减小，其谐振频率点也在逐渐减小，这样贴片尺寸的减小程度就会越大。

表1给出了各宽度W的蝶形贴片天线谐振频率在2．45 GHz时的贴片尺寸大小和各自的缩小百分比(原贴片尺寸3．82 cm×3．8 cm)，如表1所示。

由表1所示，随着蝶形贴片中心宽度的减小，天线的谐振频率也在减小，若要天线的谐振频率在2．45 GHz固定，可以通过减小天线贴片的尺寸来实现。由表1可知，随着天线蝶形贴片中心宽度的城小，天线贴片尺寸减小的幅度在逐渐加大，在W=1．2 cm时，天线贴片尺寸缩小百分比达到了34．2％。

3 结束语
文中就微带天线宽频化和小型化的理论，设计了能够实现两种性能的天线结构。由仿真结果可以看出，宽频带天线设计中，天线的带宽达到了36％，在小型化设计中，天线尺寸缩小达34．2％，基本实现了天线的宽频化和小型化。