微带单极子狭缝天线单向辐射特性分析

丁东，陈明清，肖鹏

(武汉大学物理科学与技术学院，湖北 武汉 430072)

0 引言

现代无线通信系统对天线的结构提出了更高的要求，要求天线频带宽，尺寸小，成本低且结构简单，微带单极子狭缝天线由于宽阻抗匹配带宽和结构简单[1]，成为研究的热点.如在有限地平面上开一个1/4波长的狭缝，用微带传输线馈电，可以实现宽阻抗匹配带宽和双辐射方向的天线[2]，增加不同种类的狭缝可以产生额外的谐振，从而扩宽了频带[3]，且减小了天线所占的面积，如在地板面上刻蚀一个五边形的狭缝作为反射器，同时使用一个有五边形凸起的反馈线[4].单极狭缝天线在无线通信系统中得到了广泛的应用，应用单排反射器[5]或者多排反射器[6]，可以实现较宽的带宽和单一方向辐射特性，尺寸也比较小，这些天线表现出非常好的宽频带性能.本文中在地板面上加入2个不同长度的带锯齿的狭缝天线，可以有效增强天线方向图的主瓣，提高天线的前后比，在地板面上增加条状凸起和改变地板面几何结构的技术也应用在此天线中，可增加工作频带的交叉极化辐射的前后比，一个树状突出的反馈结构和两个相似的长方形凸起嵌入辐射区域，可增强阻抗匹配性能.

1 天线结构

天线结构图如图1所示，在地板面上蚀刻1/4波长长方形狭缝，短缝是光滑的，长缝的是锯齿状的，微带反馈线末端有矩形凸起，与之相对应，在地板面上蚀刻的狭缝有2个矩形凸起，在地板面右边上下2个角分别有一个条状凸起.微带反馈线的特征阻抗为50 Ω，反馈线印制在单极狭缝另一边.在狭缝边缘设计了2个长方形短桩构成内部的寄生电容，从而实现良好的阻抗匹配状态.改变地板面结构可以改善辐射方向图，由于狭缝中载有电容，低频的谐振点频率下移了.在地平面左边蚀刻2个不同长度的狭缝，在狭缝天线附近使用锯齿栅结构，削减天线的后向波瓣.

图1 天线结构图

2 参数分析及结果讨论

通过微带传输线馈电，能量进入开槽狭缝，以电磁感应形式传入单极天线中，通过空间波和表面波的形式向空间辐射.空间波是驻波模式，向侧面z轴方向辐射.对于单极狭缝天线，能量主要通过表面波向外辐射，表面波是行波模式，沿着开槽狭缝流动，向y轴负方向辐射.在狭缝的开口端，一些残留的能量沿着地板面x轴方向的边缘流出.边缘的电流向y轴正向流动，像行波一样激发出去，这种现象是背向辐射的主要原因，当地板面上部增宽时，沿着边缘的表面电流密度增加，后向波瓣被压制.调整馈电点的位置能有效改善天线的阻抗匹配性能，在没有刻蚀2个狭缝情况下，对于不同参数Gx2的回波损耗S11的比较如图2所示，Gx2从35 mm～65 mm变化时，天线的带宽增加，天线的前后比也受Gx2的长度影响.图3是在不同Gx2下前后比的仿真图，从图中可以明显看出，随着Gx2的增加，天线的前后比变大.Gx2=60 mm时比Gx2=35 mm时前后比增加了至少2 dB，前后比增加的原因是随着Gx2的增加，电流密度增加了，由于天线主瓣的方向角Φ变为倾斜，因此将Gx2设置为60 mm，以保持辐射在端射方向Φ=270°，θ=90°.

图2 没有加入狭缝时回波损耗随Gx2变化的仿真图

图3 不同Gx2下天线前后比的仿真图

在天线地平面上蚀刻的1/4波长长方形狭缝，能有效反射背向辐射的能量，提高天线端射方向上的能量，天线参数RT1不同时，天线前后比的比较如图4所示，图中反映了RT1长度的变化对天线前后比影响很大，当RT1=53 mm时，回波损耗和天线前后比性能最优.

嵌入2个狭缝明显影响到阻抗匹配的频带，由于下狭缝有锯齿，底部的能量被有效压制，3 GHz的辐射图的后向波瓣减小了.地板面y轴边缘的表面电流部分流向x轴向的狭缝，因此后向波瓣Φ=90°和θ=90°被压制了，天线在1.8 GHz和3.6 GHz的辐射方向图如图5所示，不同RL对天线前后比的影响如图6所示，狭缝的位置和尺寸均对天线前后比有影响.经过分析，RT2的最优值是15 mm，RL的最优值是27 mm.

图4 不同参数RT1时天线前后比的仿真图

图6 不同参数RL时天线前后比的仿真图

图7 不同PL值时天线的方向图

在地板面右边上下2个角分别加入一个条状凸起，改变地板面的形状，提高天线的阻抗匹配性能，图7显示了不同PL值时天线方向图的比较，表1显示了不同参数PL时，前后比的仿真结果，参数PL=13 mm，前后比增加到26.10 dB，2个条状凸起比一个条状凸起沿y轴负向的电流密度增大，前后比F/B性能得到提高.

参数优化后的回波损耗仿真图如图8所示，天线带宽分别为1.73～3.81 GHz，从图中可以看出，阻抗匹配性能得到提高，谐振宽度90.0%，本文中提出的天线的最低谐振频率从2.93 G降到1.68 G，降低了1.25 G，且具有2个优点，减小了尺寸，增强了阻抗匹配.

表1 不同PL参数下前后比的值

图9反映了天线在3.6 GHz和2.4 GHz时的辐射图，通过对狭缝和条状金属凸起的引入，在工作频段内降低了天线的副瓣的能量，有效地提高了天线的前后比，可以实现较好的单一方向性.

图8 参数优化后的回波损耗仿真图

3 结束语

本文中讨论的单极狭缝天线实现了宽频和单向辐射的性能，本文中分析了天线尺寸和狭缝位置的参数对回波损耗和天线前后比的影响，天线使用了有凸起的微带线作为馈电线，加入了2个不对称的狭缝作为反射器，加入条状凸起，改变了地板面的结构，减小了天线的最低谐振频率，缩小了天线尺寸，增大了带宽，提高了天线的前后比，显著增强了天线的单向辐射的特性.

[1] 章文勋. 世纪之交的天线技术[J]. 电波科学学报, 2000(1):97-100.

[2] Sharma S K , Jacob N and Shafai L. Low profile wide band slot antenna for wireless communications[J]. Antennas and Propagation Society International Symposium, IEEE 2002,49(7):1094-1100.

[3] Latif S I , Shafai L and Sharma S K. Bandwidth enhancement and size reduction of microstrip slot antennas[J]. Antennas and Propagation, IEEE Transactions, 2005,53(3):994-1003.

[4] Rajgopal S K and Sharma S K. Investigations on ultrawideband pentagon shape microstrip slot antenna for wireless communications[J]. Antennas and Propagation, IEEE Transactions, 2009,57(5):1353-1359.

[5] Chien J W, Liang S T. Design of a microstrip monopole slot antenna with unidirectional radiation characteristics[J]. Antennas and Propagation, IEEE Transactions, 2011,59(4):1389-1393.

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