可展宽频带的小型化微带天线设计

陈 建，翁海峰，田印炯

(杭州电子科技大学天线与微波技术研究所，浙江杭州310018)

0 引言

由于剖面低、体积小、重量轻，具有平面结构等特性，微带天线得到了广泛的应用。但由于容易发生谐振，微带天线相对带宽仅有1% －7%，无法满足现代许多无线电频带的要求［1］。为了提高天线的带宽，研究人员研究出不少技术来解决上述问题。文献2描述了一种U型寄生贴片的微带天线。文献3设计了L波段小型化同轴扩张型天线。由于这些天线结构复杂，体积大，使用不便，使其在实际应用中受到了一定的限制。本文设计了一款新型的单贴片宽频带微带天线，通过对矩形贴片天线进行切角改变电流路径，从而出现两个谐振频率，当谐振频率相互靠近时，使天线带宽得以增加。相比于文献中提到的天线，其结构简单，便于与其它微波器件集成。

1 天线结构设计和工作原理

微带天线的整体结构如图1所示，图1(a)为微带天线的几何形状。贴片天线的尺寸为(W，L)。通过同轴探针加馈点。切角增加了天线带宽，切角为半径Rs的扇形。中心切“梅花”减小了贴片尺寸，其半径为0.5Rx。Rx为“梅花”花瓣半径。半径Rs和Rx是两个重要参数。图1(b)为介质基板结构。

本设计的微带天线采用相对介电常数为4.4，宽W=53.6mm，长L=58mm，切角半径Rs=12.4mm，切圆半径Rx=7mm。天线采用50Ω的同轴线馈电。

图1 天线整体结构

微带天线产生宽频带机理的基本原理如图2所示。对于普通的矩形贴片天线，其谐振频率与矩形贴片天线长度的关系如下［4］:

式中，L、W分别为贴片天线的长度和宽度，h为介质基板的厚度，εr为相对介电常数，ΔL是开路端缝隙的边缘效应所引起的辐射端电纳的等效延伸长度，εe为等效介电常数。

普通的微带贴片天线通过LC谐振电路来模拟。L和C的值由电流的路径长度决定。在图2(a)中，矩形微带贴片天线等效为L和C并联。电流从馈点向贴片的顶部和底部流动。在图2(b)中，对普通贴片进行了切角，改变了贴片的物理长度，电流的流动路径也将发生变化，谐振频率也将发生改变。对于切角部分，边界条件改变，减少了电流流动路径。激励起高次模，产生附加高频。通过增加一系列的电容Δc来等效，因此部分等效电路在高频部分谐振。在图2(c)中，由于电流必须经过贴片中心，所以“梅花”四周聚集了大量电流，增加了电流的路径。这个效应可以通过增加一系列的电感ΔL来模拟。基于以上理论分析可以得出:(1)如果等效电感起主要作用，电流路径增加，所有谐振频率将向左偏移，当电流路径足够大时，高频谐振将会消失;(2)如果等效电容起主要作用，将会出现高频谐振。因此，天线由单个LC谐振频率电路变为双谐振频率电路。当两个谐振频率相互耦合时，形成一个宽频带。

图2 微带天线电路分析

2 数值仿真与实验结果

为了验证以上分析的正确性，对天线进行了加工测试，加工的天线如图3所示。图3中靠近”梅花”白点的部分是馈点焊接点，通过背馈进行测试。仿真和测试的结果如图4所示。

图4中，仿真天线的两个谐振频率分别是1.87GHz和2.06GHz。而实测天线的谐振频率分别为1.85GHz和1.98GHz，通过两个频率相互间的耦合，天线的带宽得以增加。天线的带宽达到了290MHz，相对带宽为15%。由于周围测试环境的影响以及介质基板的介电常数不均匀等因数，测试结果与仿真有一定偏差，但基本吻合。

图3 天线实物

图4 天线仿真与测试结果

谐振频率分别为1.87GHz和2.06GHz贴片天线的辐射方向图分别如图5、6所示。由图5、6可知:天线在所设计的频率范围内相对稳定。频率在1.87GHz时，天线的E面和H面半功率波束宽度分别为90°和96°，最大方向性增益为8.3dB;频率在2.06GHz时，天线的E面和H面半功率波束宽度分别为89°和95°，最大增益都为8.6dB。效果明显好于普通的微带天线。

图5 1.87GHZ天线辐射方向图

图6 2.06GHZ天线辐射方向图

半径Rs与S11的关系如图7所示。由图可以看出:随着Rs的增大，高频谐振频率不断向右偏移，主要因为随Rs的增大电流路径不断减小，产生高频;而低频谐振频率并没有太大变化。从而验证了前述切角理论分析的正确性。通过适当调节Rs的大小，可以获得想要的带宽和谐振频率，继续增大Rs，可以出现双频天线。

半径Rx与S11的关系如图8。由图可以看出:随着Rx的增大，天线的两个谐振频率不断向左偏移。根据天线谐振频率公式，要保证天线的谐振频率不变，就需要减少天线尺寸，这样就达到了天线小型化目的［5－7］。当Rx足够大时，天线的高频谐振频率将消失。验证了前述切“梅花”理论分析的正确性。

图7 不同半径Rs的贴片天线仿真

图8 不同半径Rx的贴片天线仿真

3 结束语

本文通过理论分析，数值仿真和实物测试，设计了一款尺寸比较小，结构简单，加工方便的微带天线，通过切角改变电流路径，产生附加频率，当两个频率相互耦合时增加带宽，其带宽为290MHz。通过切“梅花”增加电流路径，实现了微带天线的小型化。满足现代许多无线电通信的要求，具有一定的应用前景。

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