一种接地板开槽的小型化蝶形天线设计

张　壹， 左建宏， 陈新伟， 张文梅

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

一种接地板开槽的小型化蝶形天线设计

张壹， 左建宏， 陈新伟， 张文梅

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

摘要:本文设计了一个新型小型化蝶形微带天线， 该天线采用微带馈线， 通过优化辐射贴片和在接地板开槽的方法， 减小了天线尺寸， 最终所实现的天线尺寸为32 mm×32 mm， 与传统蝶形天线相比尺寸减小23%. 测量结果表明： 天线S11<-10 dB的阻抗带宽能达到120 MHz(2.49 GHz～2.61 GHz). 同时， 天线最大增益为2.5 dBi， 可以应用于无线传输领域.

关键词:蝶形微带天线； 阻抗带宽； 天线增益

0引言

随着个人通信装备的不断增加， 小型化紧凑的微带天线得到很大程度的发展. 同时为了减少天线尺寸， 不少学者提出了各种方法， 比如电阻负载技术， 曲流技术和加槽技术等[1-3]; 在辐射贴片中刻蚀一个合适形状的缝隙， 或者在接地板开槽的方法来减小天线尺寸[4]. 此外， 蝶形微带天线可以减小尺寸并且增加带宽[5]. 矩形微带天线和蝶形微带天线的辐射特性有相似之处， 而蝶形天线的面积却有很大程度的减小[6]. 蝶形天线的带宽调节是通过共面波导馈电的外延角来实现的， 也可以通过减少金属化实现新颖的蝶形天线[7-9].

本文中， 通过优化贴片结构和在接地板开槽的方法设计了一个小型化的蝶形天线， 并且给出设计公式. 和文献[6]中的天线相比， 天线尺寸减小23%. 仿真和测量的结果表明： 该天线工作在2.49～2.61 GHz, 带宽S11≤-10 dB是4.7%， 同时得到了天线最大增益为2.5 dBi.

1天线的设计

本文设计的天线如图 1 所示， 该天线采用FR4介质基板， 相对介电常数4.4， 厚度1.6 mm， 整个尺寸为32 mm×36 mm， 天线的辐射单元是一个带有微带馈线的对称蝶型贴片， 其中馈线长为h1宽为l2,微带线的另一端与SMA接头同轴探针相连. 接地板上有一个长为a宽为b的长方形槽. 不同的开槽尺寸所对应的阻抗曲线如图 2 所示. 结果表明当接地板槽的面积变大时， 输入阻抗的虚部变化很大， 而实部变化很小. 天线的谐振频率随着开槽面积的增大而降低. 在文献[6]中， 作者提出一种修正公式， 用来修正对于TM10模结构的谐振频率. 在本文中， 通过用下述公式来修正所设计的天线结构.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：h是介质厚度，ε是相对介电常数，wc是连间两个蝶形天线间距，c是自用空间光速. 其他参数l1=32 mm,l=24 mm,l2=3.1 mm,w1=36 mm,w=28 mm,h1=12.5 mm,εr=4.4,α=45°.

通过上述公式计算了不同槽对应的谐振频率， 并与仿真软件HFSS的仿真结果做比较， 结果如表 1 所示， 两个结果最大和最小的相对误差分别为4.46%和0.40%. 仿真和计算结果表明长度b对天线的谐振频率影响很大， 而长度a则几乎没有影响.

表 1　不同的参数对应的仿真和测量结果

图 2　不同开槽尺寸对应的输入阻抗曲线Fig.2　The antenna input impedance curve for various dimensions of the window

2结论和分析

图 3　测量和仿真的S11结果Fig.3　Measured and simulated S11 for the antenna

通过式(1)～式(7)， 设计了一个工作频率在2.55 GHz天线， 最终优化尺寸为l1=32 mm,l=24 mm,l2=3.1 mm,w1=36 mm,w=28 mm,h1=12.5mm,ε=4.4,α=45°,a=16 mm,b=24 mm. 测量和仿真的S11结果在图 3 中， 测量的阻抗带宽为4.7%(2.49～2.61 GHz).

在图 4 中， 描述了2.55 GHz时仿真和测量的辐射模式. 从图 4 中可以看出， 仿真和测量的结果基本一致. 在E面主极化是8字形， 交叉极化水平比较低. 同时， 在H面得到较好的全向辐射特性和低的交叉极化.

图 4　测量和仿真的天线辐射方向图Fig.4　Measured and Simulated radiation pattern for proposed antenna

最后， 测量的天线在2.49～2.61 GHz的增益如图 5 所示， 可以得出设计的天线增益工作频率优于0.25 dBi,最高增益是2.5 dBi.

图 5　天线增益Fig.5　Measured gain for the antenna

3结论

本文设计了一个小型化蝶形微带天线， 通过优化天线的辐射贴片和接地板开槽的方法来减少天线的尺寸. 与文献6的天线尺寸相比， 减少了23%. 仿真和测量的结果也表明， 天线工作在2.49～2.61 GHz， 相对带宽4.7%. 同时， 设计的天线在相对稳定性和全向辐射特性方面有所改进， 天线最大增益为2.5 dBi.

参考文献：

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Design of the Miniaturized Bow-Tie Microstrip Antenna with a Slot in the Ground

ZHANG Yi, ZUO Jianhong,CHEN Xinwei， ZHANG Wenmei

(College of Physics and Electronics Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

Abstract:A novel miniaturized bow-tie microstrip antenna is proposed In this paper. The antenna is fed by the microstrip line. In order to reduce the size of the antenna, the optimized bow-tie patch and the ground plane with rectangular window is employed. Finally, the dimensions of the proposed antenna are 32 mm×32 mm. Compared with the traditional antenna, the antenna size is reduced by 23%.The measured results show that the impedance bandwidths for S11<-10 dB reach up to 120 MHz (2.49～2.61GHz). Meanwhile, the highest gain of the antenna is 2.5 dBi. It can be used in the wireless communication.

Key words:bow-tie microstrip antenna; impedance bandwidth; antenna gain

文章编号:1671-7449(2016)03-0227-04

收稿日期:2015-10-15

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61271160)； 山西省自然科学基金资助项目(2014021021-1)

作者简介：张壹(1975-)， 男， 博士生， 主要从事射频与微波通信研究.

中图分类号:TN821+.3

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.03.008