折叠L形空气介质微带天线设计

周 静，李进阳，孙广辉



折叠L形空气介质微带天线设计

周 静1，李进阳2，孙广辉1

（1. 南京邮电大学 通达学院，江苏 扬州 225127；2. 中国船舶重工集团公司723所，江苏 扬州 225001）

针对传统微带天线体积较大、损耗高的问题，设计了一款工作于UHF频段的天线。首先，采用空气介质微带天线形式有效地降低损耗，同时利用折叠方法使得天线小型化，实现了较低的剖面，仅为0.030；其次，利用L形馈电结构进一步增加了天线带宽，相对带宽达到34.4%；最后，利用四馈馈电网络使天线实现圆极化。天线尺寸为124 mm×124 mm×15 mm，中心频点为626 MHz，该频点处增益为5.2 dB。

空气介质微带天线；UHF；折叠结构；L形馈电；四馈结构；圆极化

微带天线具有剖面低、易加工及电性能多样化等特点，被广泛应用在无线电和通讯的各个领域[1-2]。近段时间，工作在UHF频段的天线引起大家极大兴趣，随着小型化趋势越演越烈，低剖面天线的研究迫在眉睫，然而天线效率和带宽与其体积密切相关，因此获得低剖面宽带天线是非常困难的，经过不断发展，实现天线低剖面的手段不断被提出[3-9]，如叠层U型天线结合U型地[4]使带宽达到21.6%，但天线剖面较高，达到0.210，并且只能实现线极化。此外通过增加短路针及改进馈电技术可以使天线带宽得到一定的展宽[5-6]；一款采用三维馈电结构的空气微带天线[7]，其剖面进一步减至0.0720；另一款圆环状贴片天线[9]虽然实现了更低剖面0.040，但其相对带宽较窄。

本文采用空气介质、L形耦合馈电以及折叠相结合方法，提出了一款工作于UHF频段的新型微带天线，具有低剖面、宽带宽及结构简单等优点。一方面，因介质损耗是引起微带天线损耗过大的原因之一，所以天线设计采用空气介质；同时，由于采用空气介质会导致体积偏大，因此利用折叠方法可以较好地解决该问题；采用L形耦合馈电方法进一步展宽带宽；最后，采用四馈馈电法实现圆极化。另一方面，本文天线中除馈线外，天线材质均为铜金属，有效降低了天线制作成本。

1 设计

1.1 天线设计

天线三维结构如图1所示，由四部分组成：折叠空气介质微带天线，耦合馈电L形结构，聚四氟乙烯直角支撑垫片以及地板。首先，天线采用空气作为介质有效地降低损耗，同时利用折叠使得天线小型化，折叠步骤如下：首先，将金属贴片的四个边缘向下垂直翻折；其次，再将该翻折贴片下边沿部分向内翻折90°；第三，利用曲流技术进一步减小天线截面积，将顶部及侧面贴片沿边沿弯曲成“弓”形，向内翻折部分完全一致且互不接触。为进一步拓宽带宽，本设计采用耦合馈电L形结构，其构造由探针和平面金属片组成，探针顶部与金属片相互垂直，并且焊接在一起，探针底部经过地板上的通孔与四馈馈电网络的输出口相连，馈电网络输出四个幅度相等，相位依次相差90°的四个支路对天线馈电，使其实现圆极化，馈电金属片与内翻折的贴片互相平行，且二者之间利用泡沫支撑。由于天线利用铜制作，没有介质作为支撑，故在天线与馈线介质板之间的四个拐角处分别放置聚四氟乙烯直角垫片，用来支撑整个天线。

（a）天线3D图

(b) 侧视图

(c) 顶视图（移除顶部贴片）；(d) 侧视图沿线A-B 单位: mm

1.2 馈线设计

馈电网络如图2所示为一分四功分器[10]，其结构包括威尔金森功分器以及180°的混合环，两个威尔金森功分器的输入口分别与混合环的两个输出口相接，180°混合环的作用是产生两个具有180°相位差且幅度相同的分量，这两路信号通过威尔金森功分器产生90°的相位延迟，形成四路等幅，相位正交的分量。馈电结构制作在相对介电常数为6、厚度为1 mm的介质板上。

图2 圆极化天线馈电网络结构图

2 仿真结果与讨论

应用HFSS电磁仿真软件对天线进行仿真分析。在天线设计过程中，通过调节馈电L形结构中水平金属片的宽度以及探针的高度，可以比较显著地调节天线的谐振频率以及改善匹配性能。图3中给出11随水平金属片宽度的变化情况。由图可知，改变的值可明显地改变11，随着的增大，天线的阻抗匹配变好，且谐振频率随着的增大向高频偏移，最终的值取为27 mm。图4中给出探针高度对天线11影响的仿真曲线，从曲线中可知，随着探针高度的增加，天线的工作频率右移，且匹配程度先变好，但随探针高度进一步增大，天线的匹配变差。分析得知，引起变化的原因是当探针过高时，与顶部贴片的耦合程度过强，干扰顶部贴片的电流分布，导致天线的匹配恶化，由此，最终探针高度定为6 mm。

图3 水平金属片宽度L对天线S11影响曲线

图4 探针高度H对天线S11影响曲线

仿真时，天线下方设置一块反射板，尺寸为600 mm×600 mm。图5所示为天线在附加馈电网络情况下的11曲线，从曲线可知，|11|小于–10 dB的频率范围覆盖410~840 MHz，带宽非常宽。图6给出了天线增益以及轴比的仿真结果，在626 MHz附近，仿真增益为5.2 dB，由于采用四馈电结构，天线的轴比性能很好，在中心频点附近轴比均在2 dB左右。图7所示为天线在626 MHz处E面及H面辐射方向图。由图可以看出，天线在该频点处，E面和H面的辐射方向图具有较高的对称性。为了直观说明本文设计的天线的性能，文章选取了参考文献中几款天线作为参照进行对比，如表1所示，可以看出，本文设计天线具有更低的剖面和较宽的阻抗带宽。

图5 天线S11仿真曲线（含馈电网络）

图6 天线增益和轴比仿真曲线

图7 天线在626 MHz的E面和H面辐射方向图

表1 参考文献与本文天线性能比较

3 结论

设计了一款工作于UHF频段的L形折叠空气介质微带天线，具有低剖面圆极化性能，利用空气作为天线介质减小天线损耗，同时利用折叠方法获得了较低的剖面，剖面仅为0.030；天线又利用耦合L形馈电方式进一步增加了天线带宽；最后利用四馈法使得天线实现的良好的圆极化性能。天线除馈线外的其余部分均为全金属结构，降低了天线制作成本。

[1] 宋杰, 于映, 王寅豪. 一种应用于WLAN的单层宽频微带天线设计[J]. 电子元件与材料, 2016, 35(6): 82-84.

[2] 邵俊欢, 王新彦, 高玉恒, 等. 一种应用于WLAN/WiMAX的双频微带天线 [J]. 电子元件与材料, 2015, 34(4): 51-54.

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[10] 周静. UHF频段天线小型化研究与设计 [D]. 南京: 南京理工大学, 2014.

Folded L-shaped air-supported patch antenna

ZHOU Jing1, LI Jinyang2, SUN Guanghui1

(1. Tongda College of Nanjing University of Posts & Telecommunications, Yangzhou 225127, Jiangsu Province, China; 2. The 723 Institute of CSIC, Yangzhou 225001, Jiangsu Province, China)

As everyone knows, the sizes of the traditional microstrip antennas were very large, and the losses were relatively large. To solve these problems, a miniaturized circularly polarized air-supported patch antenna worked at ultra-high-frequency (UHF) band was proposed. First of all, air was used as a supporting substrate of the antenna for lowering loss, meanwhile, novel folded structure was designed to realize miniaturization, and the overall height of the folded antenna was only 0.030. Secondly, the proposed antenna was fed by an L-shaped strip to realize a large bandwidth of 34.4%. Lastly, the four feed method was used for the realization of the circular polarization radiation. The dimension of the proposed antenna is 124 mm×124 mm×15 mm (0.250×0.250×0.030), at 626 MHz), and the gain is 5.2 dB.

air-supported microstrip antenna; UHF; folded structures; L-shaped feeder; four feed structure; circular polarization

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.10.011

TN82

A

1001-2028（2016）10-0049-04

2016-09-05

周静

周静（1986－），女，江苏扬州人，助教，主要研究方向为微波技术和天线，微波器件，E-mail: 600syzj@163.com；

李进阳（1984－），男，江苏扬州人，工程师，主要研究方向为微波有源电路，微波器件，电磁散射，E-mail: ljy1210zj@163.com；

孙广辉（1986－），男，山东东营人，助教，主要研究方向为测量控制与仪器、FPAA技术应用研究，E-mail: sunguanghuihui@126.com。

网络出版时间：2016-09-29 10:10:58

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160929.1010.011.html

（编辑：陈渝生）