一种基于缺陷地结构的小型三角微带天线

姚佩+张斌珍+段俊萍+孙玉洁

摘 要： 设计一种基于缺陷地结构（DGS）的三角形微带天线，通过在三角形贴片表面和三角形接地面上分别嵌入冰晶状槽和DGS实现双频操作，同时增加了天线的带宽，并使用Ansoft HFSS软件对天线进行仿真，天线覆盖Wimax 3.5/5.5 GHz两个频段，对应的10 dB回波损耗带宽分别是9.1%（3.36～3.68 GHz）和1.8%（5.45～5.55 GHz）。此外，通过对介质基板的形状进行比较后发现，与通常使用的矩形介质基板相比，三角基板具有更好的阻抗带宽和更小的体积。最后，对天线进行加工和测试，在3.5 GHz和5.5 GHz频段对应的实测带宽是8%（3.38～3.66 GHz）和1.6%（5.44～5.53 GHz），测试与仿真结果基本一致。

关键词： 三角形微带天线； 缺陷地结构； 三角形基板； 双频操作； Wimax； 冰晶状槽

中图分类号： TN823+.16?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）03?0006?04

Abstract： A triangular microstrip antenna based on defected ground structure （DGS） was designed. The slot in ice crystal shape and DGS are embedded on the surface of the triangular patch and triangular ground connection to realize the dual?frequency operation， which can extend the bandwidth of the antenna. The Ansoft HFSS software is used to simulate the antenna. The antenna covers the frequency bands of Wimax 3.5/5.5 GHz， and their bandwidths corresponding to 10 dB return loss are 9.1% at 3.36～3.68 GHz and 1.8% at 5.45～5.55 GHz respectively. In comparison with the commonly?used rectangular substrate， the triangular substrate has more perfect impedance bandwidth and smaller size. The antenna was processed and tested. At 3.5 GHz and 5.5 GHz frequency bands， the corresponding measured bandwidths is 8% at 3.38～3.66 GHz and 1.6% at 5.44～5.53 GHz， which are consistent with the simulation results.

Keywords： triangular microstrip antenna； DGS； triangular substrate； dual?band operation； Wimax； ice crystal shaped slot

0 引 言

微带天线[1?2]是在一块厚度远小于工作波长的介质基片的一面敷以金属辐射片、一面全部敷以金属薄层作接地板而成；辐射片可以根据不同的要求设计成各种形状。微带天线以其质量轻、体积小、加工简单、易实现共形等优势获得了广泛研究与应用。但微带天线的不足在于工作频段窄，表面波损耗严重，天线辐射效率低，易产生谐波和杂散波分量，对介质基板的影响敏感，易产生天线性能的变化等。以往的研究[3?5]对于辐射贴片的设计通常使用较为规则的形状，如矩形、圆形或方形，相比于这些形状的辐射贴片，三角形辐射贴片具有体积小、结构紧凑、易于激发高次谐波等优势[6?7]。微带天线实现多频操作的方式有很多，如使用谐振交叠技术的多层微带贴片天线，加载短路探针或开槽改变天线表面电流路径等。本文设计的小型三角微带天线采用在贴片表面开槽的方式增加天线的谐振频段，步骤简单易实现。缺陷地结构（Defected Ground Structure，DGS）[8]与传统的地面结构相比不仅尺寸小、带宽好，且能够激发额外的谐振模式，对于微带天线性能的优化具有重要意义。微带天线容易产生谐波和杂散波，造成天线性能的降低。缺陷地结构（DGS）通过在微带天线接地面上蚀刻出缺陷图形[9?11]，扰乱地面上的传导电流分布，从而在较宽频带内抑制电磁波的传播，产生较宽的阻抗特性，使之存在截止频率和谐振频率，这是对传统微带结构的创新，常用的DGS结构有哑铃型、六边形、螺旋型等[12]。

微带天线的带宽[13?14]一般为2%～5%，无法满足使用者的要求，本文设计了一种可以增加三角形微带天线带宽的方法，将普遍使用的矩形基板替换为与贴片形状相似的三角形介质基板，经过HFSS建模仿真比较后发现三角形介质基板[15?17]比矩形基板在带宽和尺寸上更有优势。

1 基本原理

1.1 天线结构

基于缺陷地的小型三角微带天线的结构如图1所示，将边长为的等边三角形辐射贴片印在背面有不完整导体接地板的边长为的三角形介质基板上，基板厚度为=1.6 mm、相对介电常数为4.4。三角形介质基板与三角形辐射贴片的中心重合。在三角形贴片中心嵌入尺寸为×的冰晶槽，天线采用同轴馈线进行馈电，馈电点在冰晶槽的延长线上。天线的接地面采用缺陷地结构，在冰晶槽的正下方开一个直径为的正六边形槽。endprint

1.2 原 理

根据腔模理论可知贴片表面电位为为贴片到接地板的距离，即贴片下电场为零的点就是贴片的零电位点。TM10主模的零电位轨迹如图2所示，将TM10模电场分布绕轴旋转可以得到TM10模的另外两种电场分布和，三角贴片上的电场是三种电场的总和，三角形辐射贴片上的冰晶状槽的中心位于贴片主模TM10的零电场点，馈电点在冰晶状槽的延长线上，随着馈电位置的改变，各个电场的场强会有变化，对馈电位置进行调整可以获得理想的谐振点。

冰晶槽的长度会影响贴片表面垂直和水平方向的电流路径，有文献中使用十字槽改变贴片表面电流路径，从而操作天线的各个频段，且使用冰晶槽延长了各方向上的电流路径，可以对微带天线进行多频段的操作。当增大的值，会使水平方向的表面电流路径延长，垂直方向的表面电流路径虽然也会延长，但幅度较小。相反的，减小的长度会使垂直方向上的表面电流路径明显缩短，水平方向的电流路径会小幅度的缩短。

2 实验结果

冰晶槽长度对天线的影响如图3所示，3.5 GHz和5.2 GHz频段的谐振点随的增大而减小，这是因为的增加延长了冰晶槽的长度，同时，使沿水平方向的表面电流路径延长，从而使频率减小。相比于仅在贴片上加载一个矩形槽或是十字槽，加载冰晶槽的优势在于多方向、多角度地改变了表面电流的路径及分布，使天线在多频段产生谐振。

DGS的性能是由其结构决定的，结构的改变会使微带天线的性能产生变化。3.5 GHz时天线接地面表面电流路径如图4所示。由图4可知，在3.5 GHz频段的谐振点与地面的DGS尺寸大小有关，尺寸的改变会使天线3.5 GHz频段的性能发生变化。DGS结构的尺寸对天线性能的影响如图5所示。由图5可知，对5.5 GHz频段的影响并不大，但3.5 GHz频段频点随的增大而增大。

经过综合考虑及优化后，天线最终参数如表1所示，并对天线进行了加工和测试，图6给出了天线回波损耗的仿真与实测曲线，实测3.5 GHz和5.5 GHz频段对应的10 dB带宽分别为8%（3.38～3.66 GHz）和1.6%（5.44～5.53 GHz），由于测试时的一些干扰因素，仿真与实测结果有差异，但二者基本一致。

三角形微带天线在3.5 GHz和5.5 GHz频段的E面和H面仿真结果如图7所示，三角形微带天线虽然在体积的小型化上占据一定的优势，减小了两侧基板的使用面积，但由于介质基板结构的减小也使方向图的全向性受到了一定程度的影响，但总体上仍能满足辐射特性的要求。

3 分析与讨论

三角形微带天线对介质基板的改变反应较为敏感，会影响到天线的性能。本文提到的使用与贴片形状相同的三角形介质基板是经过比较了其他形状的介质基板性能及结构方面的优劣得出的结论。关于使用三角基板对三角形微带天线带宽的影响设计了与矩形基板的对照组，二者采用相同的介质基板材质，矩形介质基板（介质基板尺寸为60 mm×50 mm×1.6 mm）的天线1和使用三角形介质基板的天线2，对它们的尺寸以及性能方面进行分析比较。

由体积计算公式可知，使用三角介质基板的天线2的体积约为天线1的显然使用三角基板的天线结构更为紧凑、小巧，有利于实现天线的小型化。图8给出了天线1和天线2的回波损耗曲线，经过对比发现，使用三角介质基板的天线2的阻抗带宽明显高于使用矩形介质基板的天线1。 由此可知，使用三角形介质基板的优势在于：形状与贴片近似，能够减小侧翼的介质基板体积；在减小微带天线结构尺寸的同时并未影响天线的性能，反而具有三角微带天线的带宽特性。

4 结 语

本文设计和测试了一种小型的三角形微带天线，DGS的应用不仅激发了谐振频段，且增加了带宽。三角介质基板在减小尺寸的同时增加了带宽，实现了天线的小型化、多频段和宽带化。由于天线结构的不对称和参数间的相互影响，天线5.5 GHz頻段带宽较窄，可以通过进一步调节改善。

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