S波段微带宽频贴片天线设计

湖南文理学院 戴正科

S波段微带宽频贴片天线设计

湖南文理学院 戴正科

近年来，随着无线通讯设备的快速发展，S波段（频率范围在1.55～3.4GHz之间）的电磁波得到了更加广泛的应用。同时由于调频技术的发展，对天线的宽带化提出了更高的要求。本文提出中两种S波段微带宽频天线的设计方法，在贴片两边开槽和增加寄生贴片，并通过仿真实验对设计出的天线进行仿真实验，对其微带的带宽进行研究，发现这两种结构设计均能达到S波段微带天线拓宽带宽的目的，希望对天线的宽带化提供一些帮助。

S波段；微带宽频；贴片；天线设计

0 前言

近年来，无线通讯技术发展迅速，S波段的频率范围为1.55～3.4GHz。微带天线由于其体积小、重量轻、低剖面、易与载体共形等优点被广泛应用于各类通信系统。但是微带天线的带宽比只有5%左右，这种比较窄的带宽比又影响了其使用。而随着无线通讯技术中跳频技术的发展，对于微带宽带化提出了更高的要求。因此，目前需要研究如何将微带天线的带宽进行扩宽。一般多采用层叠贴片增加微带天线带宽，而采用口径耦合的馈电方式减少馈电网络对天线辐射单元的耦合。目前，对于增加微带带宽的方法有以下几种，首先是增大微带天线介质基体的厚度，其次是降低微带天线介质基体的介电常数，再次是采用有耗介质，最后可以采用增肌阻抗匹配网络的方法。其中最为主要的两种方法是在贴片两边开槽和增加寄生贴片的方法，本文将针对这两种方式进行分析。

1 S型结构微带天线

S型微带天线的设计可以通过调整贴片两边平行槽的宽度和长度来调整天线的带宽和谐振频率。

天线的结构设计如图1所示，天线总厚度为3mm，其中介质层为SF4玻璃增强板。

图1 S型微带天线

对设计的S型微带天线通过HFSS10.0仿真软件进行仿真实验，当回损＜-10.0dB时，得到的数据如表1所示：

表1 S型微带天线仿真数据

由表中数据可得，S型微波天线的相对带宽达到了宽带天线的要求标准，满足了对于天线带宽的要求，同时可以满足天线多频的要求，说明这种设计可以满足无线宽带技术中对于视频影像的传输要求。且这种设计结构简单，基础性能良好，在工程应用中会有良好的前景，可以进行大力推广。但是目前的S型微带缝隙天线还存在一些缺点，如在高频段的辐射性能较差，因此，在下一步的研究中还需对这方面加强研究。

2 E型贴片结构设计的微带天线

E型贴片电线设计结构主要是通过增加寄生贴片，贴片的形状为E型，且采用双侧结构，同时使用探针馈电的结构，在对各种参数进行优化设计得出的结构，简言之就是采取同轴馈电，并利用E型贴片结构达到天线设计的多层结构来拓宽带宽。其结构如图2所示。

图2 E型贴片电线设计

从图2可以看出该类电线由金属底板、E型辐射贴片、寄生辐射单元组成。其中E型辐贴片和寄生辐射单元均印制在聚四氟乙烯的介质板上，介质板的厚度为1mm。介质板之间还有下层介质板与底板之间均用空气层隔开，其厚度分别为h2和h1，并用加工好的聚四氟乙烯作为支撑材料。这种结构的天线通过探针对E型贴片进行馈电，而E型贴片通过耦合作用对上层的寄生元进行激励。

这种结构的天线在设计时关键是对寄生元辐射单元的设计，而寄生元辐射单元在设计时主要有三个地方需要注意，分别是基片的选择，单元宽和单元长度的设计。

其中基片的选择，基片的材料选择时一般采用低损耗的介质，例如聚四氟乙烯、陶瓷、聚苯乙烯等，并在这些介质的单面敷铜、铝或金等金属或者双面都敷。同时在进行基片选择的时候最终还是要由工作频率和天线的应用条件决定。例如，低频带天线为了减小尺寸往往应用高介电常数的材料作为基片。同时在选择基片材料的时候除了要考虑所选材料的介电常数和损耗角正切还要其随频率的变化，其在加工过程中的加工性能和其抗拉强度、抗冲击性能等等。

最后，根据常规的计算公式可以计算出这种结构的天线设计中的各种参数。计算结果见表2。

表2 天线的最终尺寸

对于设计的E型贴片天线使用HFSS仿真软件进行仿真，从仿真结果可以看出利用E型贴片结构来进行拓宽带宽是非常有效果的。在使用频率范围内，带宽均高于10%。但是在增益方面，发现E型贴片结构在增益方面效果一般，一般都在7.1至8之间。所以，通常在对增益效果要求不高的时候可以使用这种E型贴片结构进行天线设计，但是增加增益将是在拓宽带宽的基础上下一步需要进行的研究。

3 总结

S波段微带天线体积小，重量轻，易于共性，是目前应用最为广泛的天线之一。但是其有一个重要缺点是频带较窄，为了解决微带天线的频带问题，近年来，相关工作者做了大量的工作。其中主要有四种方法，本文介绍了主要的两种，分别是在贴片两边开槽和增加寄生贴片的方法。这两种方法结构简单，设计出的天线通过仿真实验可以看出性能都非常好，完全满足了宽带天线的技术要求。但是这两种结构还存在一些问题，如在贴片两边开槽的S型微带天线在高频段的辐射性能较差，而增加寄生贴片的E型贴片结构设计的天线增益效果不理想，这些都需要工作人员在以后的工作中进一步研究。

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