一种高增益宽频带微带天线设计

陈章友，李飞仪，秦米佳，蔡子伟

(武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉 430079)



一种高增益宽频带微带天线设计

陈章友，李飞仪，秦米佳，蔡子伟

(武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉 430079)

设计了一种工作在9.4 GHz的高增益宽频带微带天线，介绍了该天线的设计思路，并利用CST对其进行了建模、仿真和计算，仿真结果满足设计要求，对天线的设计具有一定的参考价值。

微带天线；CST；天线建模；仿真计算

天线系统作为接收和发射电磁波的器件，是无线通信系统中非常重要的一部分。微带天线是在20世纪70年代受到广泛重视的一种新型天线,它具有体积小、重量轻、平面结构、能与飞行器共形、成本低等特点，在多普勒雷达、导弹遥测技术、生物工程、可移动卫星通信、空间技术、蜂窝电话/PCS及其他手持便携式通信设备中得到了广泛的运用[1]。而微带天线本身固有的窄频带和相对尺寸为1/2波长大小是它的主要缺点,也是制约其发展的主要因素。因此寻求减小微带贴片天线相对尺寸，以及在保持微带天线小型化的基础上增加其频带宽度，以满足无线通信数据量不断增大的方法成为无线通信技术的一个重要研究领域[2]。而针对微带天线的关键参数，诸如介电常数的大小、贴片天线的高度、馈电点位置等影响天线性能的研究是当前的一大热点。

1 微带天线的设计原理

1.1 微带天线的基本结构

矩形微带贴片天线的结构图如图1所示。图1中的馈线采用侧馈的方式，除这种方式外，还有用同轴线穿过接地板和介质板的背馈激励方式。由于微带贴片天线通常只工作在谐振频率附近，因此研究微带贴片天线的谐振频率和阻抗特性就显得尤为重要。

图1 矩形微带贴片天线结构图

1.2 微带天线参数

由图1可知，设计微带贴片天线时要考虑的参数有：介质基板厚度h、贴片长度L、贴片宽度W、介质基板长度LG、介质基板宽度WG、介质基板的相对介电常数εr和损耗正切tanδ[3]。

(1)介质基板的厚度h、相对介电常数εr、损耗正切tanδ会直接影响微带贴片天线的性能。

(2)贴片宽度W会影响频带宽度和辐射效率，W的尺寸不得超过式(1)给出的值：

(1)

式中：f0为谐振频率；c为光速。

(3)贴片长度L近似为:

L=λg/2

(2)

式中，λg为介质内波长，它与自由空间波长λ0的关系为：

(3)

其中，εe为有效介电常数，可由式(4)计算：

(4)

(4)介质基板尺寸的计算，对于背馈按式(5)和式(6)确定；对于侧馈，介质基板宽度WG按式(6)确定，而LG则需根据馈线和阻抗变换器的配置来确定。

LG=L+0.2λg

(5)

WG=W+0.2λg

(6)

2 天线设计

2.1 基本设计要求

要求天线工作在9.4GHz，增益达到12dB，方向图水平宽度70°，俯仰宽度25°，带宽尽可能扩展。

2.2 天线结构的确定

微带天线工作在9.4GHz，其在空气中的波长为32mm。综合考虑微带天线参数和环境要求，选定介质基板厚度h=2 mm，相对介电常数εr=1.15，贴片和接地板材料均为理想导体。

由式(4)可得有效介电常数εe=1.12，再由式(3)可知介质内波长λg=30.2 mm，由式(1)可得贴片宽度W的最大值为15.4 mm，由式(2)可得贴片长度L=15.1 mm，由式(5)可得介质基板长度LG=21.1 mm，由式(6)可得介质基板宽度WG=21.4 mm。

根据计算所得到的参数，在CST中建立微带贴片天线模型，如图2所示。介质基片的背面设有接地板，馈电同轴线垂直贯穿介质基片和接地板；介质基片的正面和馈电同轴线的上方连贴有贴片，馈电同轴线将接地板与贴片相连。

图2 单贴片天线模型

经仿真发现，按照理论值构建出基本的一个贴片和两个贴片的微带天线都满足不了指标要求。故最终确定天线的结构为三贴片微带天线，如图3所示，其中3个贴片通过传输线相连，天线采用背馈方式馈电。

图3 三贴片天线模型

3 CST参数仿真

根据微带天线理论[4-6]，贴片长度L、贴片宽度W、介质基板长度LG、介质基板宽度WG、贴片之间的距离及传输线的长度都会对微带贴片天线的性能指标产生影响。需要通过仿真确认天线各尺寸参数与天线性能指标的关系，最终设计出满足指标要求的微带天线。

在仿真设计中发现：改变介质基板厚度h、贴片长度L、贴片宽度W、介质基板长度LG和介质基板宽度WG均可使天线的谐振频率发生变化；改变介质基板的相对介电常数εr可使功率反射系数发生变化；改变传输线的长度l可以使天线的增益发生变化；改变贴片之间的距离d可以使方向图水平、俯仰宽度发生变化。不同的参数经常是相互制约的，天线馈电设计时就需要对天线参数进行联调[7]，以免顾此失彼。

图4所示为阻抗匹配仿真图，图4(a)中，天线的谐振频率较好地调节到了9.4 GHz，但此时的S参数只有-16 dB，说明匹配程度还不够；而在图4(b)中，虽然通过改变介质基板的相对介电常数εr使得S参数达到了-32 dB，但此时谐振频率却发生了偏移。事实上，不仅是谐振频率与阻抗匹配，几乎所有的情况下，一个指标或多个的提升同时会对应着另一个指标的变化，这时就

图4 阻抗匹配仿真图

需要根据以上确认的天线尺寸参数与性能指标的关系一点点地微调，直至满足所有指标要求。所设计的馈电形式结构图如图5所示。

图5 馈电形式结构图

最终天线的中心频率较好地调整到了9.4 GHz附近，增益达到了12.38 dB，带宽为700 MHz，方向图水平宽度70°、俯仰宽度25°，完全满足指标要求。最终的天线参数如表1所示。

表1 天线参数表

4 仿真结果

4.1 S参数

图6所示为S参数仿真曲线。由图6可以看出，在9.4 GHz附近匹配良好，达到-20 dB，满足设计要求；同时天线的工作带宽达到700 MHz。

图6 S参数仿真结果

4.2 方向图及增益

图7所示为天线的远场方向图及增益仿真结果界面图。由图7可以看出，方向图形状良好，天线的增益达到了12.38 dB，满足设计要求。

图7 天线远场方向图及增益仿真结果界面图

4.3 3 dB波束宽度

图8所示为3 dB波束宽度仿真图，其中图8(a)为方向图水平宽度仿真图，图8(b)为方向图俯仰宽度仿真图。由图8可以看出，当天线增益为12.38 dB时，天线的方向图水平宽度为70°、俯仰宽度为25°，满足设计要求。

图8 3 dB波束宽度仿真图

5 结论

笔者分析了微带天线的设计原理，根据微带天线尺寸的计算公式得到微带天线的大致尺寸，再利用CST软件建立天线模型，通过软件仿真和优化不断修改模型、调整天线的参数，设计出了中心频率为9.4GHz、增益达到12 dB、带宽为700 MHz、方向图水平宽度为70°、俯仰宽度为25°的微带贴片天线，并给出了天线特性的仿真曲线。仿真结果表明，所设计的微带贴片天线满足性能指标要求。

[1] 刘藤.微带天线的理论研究与工程设计[D].成都：电子科技大学,2005.

[2] 贺秀莲.微带天线的数学建模理论与数值分析方法研究[D].西安：西安电子科技大学,2005.

[3] 李艳.矩形微带贴片天线的仿真研究与设计[D].武汉：武汉理工大学,2011.

[4] 吴凌华.基于CST_ADS软件的短波天线联合设计[D].成都：电子科技大学,2011.

[5] 来雪梅,王代华,张哲.基于HFSS的微带天线设计与仿真[J].机械工程与自动化,2009(6):40-42.

[6] 韩玲,张志杰.微带贴片天线的设计与仿真[J].科技情报开发与经济,2006(1):269-271.

[7] 宋旭亮,朱义胜.微带天线的设计和阻抗匹配[J].现代电子技术,2008(1):73-75.

CHEN Zhangyou:Assoc. Prof.; School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430079, China.

[编辑：王志全]

Design on High-gain Wide-band Microchip Antenna

CHENZhangyou,LIFeiyi,QINMijia,CAIZiwei

A high-gain wide-band microchip patch antenna was designed. It works at the frequency of 9.4GHz. The design methods were presented. Based on CST, the modeling, simulation and calculation of the antenna were accomplished. The simulation results completely meet the design requirements. It can act as a good guide to the design of antenna.

microchip antenna; CST; antenna modeling; simulation and calculation

2015-04-02.

陈章友(1969-)，男，湖南澧县人，武汉大学电子信息学院副教授；博士.

2095-3852(2015)05-0548-04

A

TN82

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.05.005