一种改进的大带宽微带天线的设计_缪贵玲

doi :10.13838/ ki.kjgc.2015.08.023一种改进的宽带微带天线的设计designofamodifiedwidebandwidthmicrostributantenna缪贵玲1杨昌彦2庙桂陵阳长燕；(1.鹰嘴豆职业技术学院教育系，江西鹰嘴豆335000； 2 .江西广播电视大学鹰校，江西鹰校335000 )(1.部署、ingtanvocationalandtechnicalcollege、Jiangxi Yingtan 335000；(2.Yingtan Campus，jiangxiradioandtelevisionuniversity，Jiangxi Yingtan 335000 )摘要：本文设计了一种改进的宽带微带天线。 该天线通过在采用相对介电常数接近空气的发泡介质层的介质基板上开设长方体的槽，缩短供电探头的长度，减小探头的电感对输入阻抗造成的影响，在贴片与接地板之间导入短路路径，在天线贴片与接地板之间形成电壁还可以降低天线的谐振频率，并且减小了天线大小，还减小了天线大小，使用了可以加宽天线带宽的短路面。 根据HFSS的仿真结果，在返回损耗S11-10dB的情况下，天线复盖1.514.66GHz的频率范围，相对带宽达到102.1%，该天线结构简单，性能良好。关键词：微带天线宽带宽短路面发泡介质层； HFSS； 同轴供电中图分类编号： TN82文献识别码： a文章编号： 1671-4792 (2015 ) 08-0110-06 abstract:thisperpaterdesignonamodifiedwidebandwidthmicrostriantenna.theantennausesstriclelayerwhoserectionpromitityisclosetotheair.byopeninginacubicoidgrooveonthedielectricsubstrate，以及redercingthelengthofthefe uretheprobeinductance.andbyintrotductingashortroadbetweenthepatchandgroundplate whichissprotectiontofforminganelectricleallew 地板a1pos (126， 268 ) recomputetheresonantfrequencyoftheantenna hichcanredecurethesizeandbroadenthebandwidthoftheantenna.hfssermationsresshowthekeywords:microstributantenna； 宽带宽度； Shorting Wall； Foam Dielectric Layer； HFSS； 朝霞市进料器0引言微带天线通常应用于1GHz 50GHz，特殊的微带天线也可应用于数十兆赫，因其具有小型、轻量、低断面、与载波的共形等优点而被广泛应用。 然而，窄带宽一直是微带天线的主要缺点之一，正在研究降低天线的等效谐振电路的q值以加宽微带天线的工作带宽的方法，例如增加介质基板的厚度的方法降低温度，降低电介质基板相对介电常数的放射线片的采用采用宽高比附加阻抗匹配网络楔形或阶梯形基板的追加无源补片的多层结构等1。 通常，可以灵活地采用加宽带宽的方法，以实现设计所需的带宽。采用相对介电常数低的介电基片并加厚基片厚度是加大常用微带天线带宽的方法。 文献2及3均采用厚空气介质层和短供电探针相对带宽分别达到66%和75.5%。 文献4同样，在使用厚空气介质层来扩展带宽的文献5中，采用厚空气介质层和电容性供电的方法来提高天线的带宽，使天线的相对带宽为47.3%的文献6使用低介电常数的介质基板和空气介质层来设计宽带微带天线， 通过在电介质基板上开设长方体的槽，减小供电探头的长度，减小探头的电感对输入阻抗的影响，在贴片与接地之间导入短路，相当于在天线贴片与接地之间形成电壁，降低天线的谐振频率本文根据文献2，在S11-10dB中设计了相对带宽达到102.1%的微带天线，复盖了1.51 4.66GHz的频率范围。一天线结构微带天线阻抗带宽窄的根本原因是谐振天线，诸如高q并联谐振电路。 加宽宽带的基本方法是降低等效谐振电路的q值，即增加介质基片的厚度，降低介质基片的相对介电常数1。 为了获得宽的天线带宽，本文中，天线的介电层采用相对介电常数接近空气的发泡介质，同时发泡介质起到固定和支撑天线结构的作用。 为了获得足够的带宽，电介质层的厚度相对较大。 但是，厚度的增加在加宽带宽的同时，馈电探头的长度也变长，所引入的探头的电感增加，若天线的厚度超过某一限度，则变得阻抗不匹配，反而对带宽的扩展变得不利。 针对该问题，为了在加厚基板厚度的同时不增加供电探头的长度，如图1所示设计了天线结构。在电介质基板上空出长度L2、宽度s、高度h长度一种改进的宽带微带天线的设计图1是天线俯视图和侧视图长方体槽、供电探针通过长方体槽的前端向放射贴片供电，其长度为t。 通过使供电探头的长度保持恒定，能够增大介质基板的厚度，不增加探头的导入电感，能够增大天线的带宽。 电介质基板长度为Lg，宽度为Wg； 放射线贴片的长度为l，宽度为w。供电点为贴片的中心，远离贴片下方的L1。 天线采用50同轴供电。双天线的仿真天线是有机的整体，每个参数是相互关联的。 其中，参数h是影响天线带宽的重要因素，如果h=0，则其为普通的简单微带天线。 当选择适当的电介质基板时，矩形微带天线的基本尺寸 1，7-9 可通过下式计算(1)(2)111(3)(4)天线的阻抗特性的影响不大，特别是随着频率变高增加的幅度反而减小了天线的阻抗带宽。其中c是光速，f是天线中心频率，e是有效的有效介电常数，L为等效辐射狭缝长度，w、l为辐射贴片的宽度和长度。输入阻抗为50时供电点距坐标原点的距离可以用下式近似计算(5)(6)通过扫描和优化参数L2，如图2中所示，在长方体时隙小的情况下，长方体时隙的大小对天线阻抗特性的影响相对小，其中发射能量相对小，天线的带宽相对小，而随着长方体时隙的增加，天线的谐振频率增加图2l2对S11的影响通过参数s的扫描和优化，如图3所示，长方体时隙的尺寸对天线阻抗特性的影响是长方体时隙的宽度成对的图3s对S11的影响根据以上公式，参照文献2的参数，经过大量仿真研究，决定天线的初始尺寸为Lg=170mm、Wg=160mm、L=56mm、W=56mm、L1=14.8mm、L2=83mm、S=9mm、h=17mm、t=5mm。 利用基于Ansoft公司开发的电磁场有限元法的全波三维电磁仿真软件HFSS13.0对该模型进行仿真分析，求出天线的回波损耗S11与频率f的关系，如图2所示。 从图4可以看出，对于S11-10dB，天线霸主复盖从1.8 GHz到4.06 GHz的频率范围，相对带宽达到77.13%。 与文献2的天线相比，带宽有所扩展。图4天线回波损耗为了进一步改善天线的性能，在辐射接插AB处提供额外的功能性在边上添加宽度w、高度h t较短的路面。 在接插与接地板之间引入短路对应于在天线接插与接地板之间形成电壁，可以降低天线的谐振频率并减小天线大小。 经过多次仿真研究，最终天线尺寸决定为Lg=140mm、Wg=130mm、L=46mm、W=56mm、L1=9.8mm、L2=63mm、S=9mm、h=15mm、t=4.5mm。 图3示出HFSS模拟之后的天线的回波损耗S11和频率f之间的关系。 从图5可以看出，改善的天线带宽进一步加宽，而如果是S11-10dB，则霸权可以复盖从1.51 GHz到4.66 GHz的频率范围，相对带宽达到102.1%，阻抗匹配的程度进一步改善。一种改进的宽带微带天线的设计(a)f=1.9GHz(b)f=3.9GHz图5改善后天线的回波损耗天线的阻抗带宽不足以描述天线的性能，当天线在实现超宽带性能的同时，还具有对称的方向图和良好的增益。 天线的辐射方向图如图6、图7所示。 在1.9GHz谐振频率点，最大辐射方向和辐射贴片法线方向的角度为41，增益为4.27dB的3.9GHz的谐振频率点，最大辐射方向和辐射贴片的法线方向的角度为29，增益为6.48dB。(c)f=5.5GHz图7是图6天线的h平面上的方向图113(a)f=1.9GHz(b)f=3.9GHz3天线制作和实测结果为验证所设计天线的实用性和有效性，综合优化了采用HFSS设计的天线，优化的尺寸为Lg=140mm、Wg=130mm、L=46mm、W=56mm、L1=9.8mm、L2=63mm、S=9mm、h=15mm、t=4.5mm 根据优化尺寸，对该天线进行实际加工和测试，使用AV3620矢量网络分析仪测试天线实物，实物图和测试反射系数如图8所示。(a )图8天线实物和实测回波损耗(c)f=5.5GHz图8是图7天线的e平面上的方向图从图5和图8可以看出实测值和仿真曲线偏差主要是加工误差造成的，另外，SMA接头和焊锡的散射效果也影响回波损耗。该天线基本上能够满足微波通信的要求。4结语在电介质基板上开设长方体槽，以承载短路面的方式设计了宽带微带天线。 本文给出了天线的详细结构和设计过程，通过电磁仿真软件HFSS13.0的优化设计，天线的相对带宽达到102.1%，具有较宽带宽特性，同时具有较好的增益。 该天线结构简单，性能良好，具有一定参考价值。参考文献1钟顺时.微带天线理论与应用M .西安：西安电子科技大学出版社，19912基于王扬智、张麟西、韦高. HFSS的新型宽带微带天线仿真设计J .系统仿真学报，2007，19 (11 ) :2603年至2606年。3沈楠、郭陈江、胡楚锋.宽带高增益微带天线的研究与设计J .电子测量技术，2007，30 (01 ):49-514武亭强，苏华，Gan Liyun，et al.acomplicationandbrodentmicrostristakepatchantennawithcircularpolarizationfor 2.45 GHz移动RFID reader j .ieeantennasandwirelesspropaga -一个tion Letters，2013，(12):623-626 .各种改进5郭戈、邵建兴.容性馈电宽带微带天线的进步的双曲馀弦值设计和分析J .通信技术，2010，50 (06 ):80-83 .大带子6王浩、史小卫、刘淑芳等.宽带高增益幅度微微Ku波段微带天线设计J .微波学报，2012，28 (05