一种新型宽频双频段微带天线设计与仿真

张鹏 丑修建 王二伟 刘立

摘 要： 提出一种新型的宽频微带天线，将天线结构印制于玻璃纤维环氧树脂基板上，借助电磁仿真软件Ansoft HFSS 13.0进行仿真，该天线包含2.7～5.39 GHz，6.39～10.5 GHz两个宽频段，相对带宽分别为67%和49%，低频段可应用于WLAN，高频段可以应用于X波段的通信。给出了反射系数[S11、]辐射方向图和表面电流分布的仿真结果，分析了参数[R1，O，C]和[K]对回波损耗及带宽的影响，该设计具有一定的参考价值。

关键词： 宽频带； 双频段； HFSS； 微带天线； PCB天线； 回波损耗

中图分类号： TN82?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）07?0021?03

Design and simulation of a novel broadband dual?band microstrip antenna

ZHANG Peng， CHOU Xiujian， WANG Erwei， LIU Li

（MOE Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： A novel broadband dual?band microstrip antenna is presented in this paper. This antenna structure is printed on a fiber glass epoxy resin substrate， and simulated by means of electromagnetic simulation software Ansoft HFSS 13.0. The antenna includes the bandwidths of 2.7～5.39 GHz and 6.39～10.5 GHz， and their relative bandwidths are 67% and 49% respectively. The low?frequency band can be applied to WLAN， and the high?frequency band can be applied to the communication of X?band. The reflection coefficient [S11，] and the simulation results of radiation pattern and surface current distribution are given. The influence of parameter [R1，O，C] and [K] on the return loss and bandwidth is analyzed. This design has a certain reference value.

Keywords： broadband； dual?band； HFSS； microstrip antenna； PCB antenna； return loss

0 引 言

随着科学技术的不断发展，现代通信技术也不断提升，对于电子通信设备来说，小型化成为其不断的追求，处理信息的能力也日益智能化、宽带化[1]。作为无线电通信、广播、导航、雷达、测控、微波遥感、射电天文和电子对抗等各种民用和军用无线电系统必不可少的设备之一的天线，正扮演着越来越重要的角色。天线的主要功能是在接收系统中完成电磁波与导行波之间的转换或在发射系统中进行相反的变换。微带天线具有重量轻、体积小、剖面薄、散射截面小等优点，十分常见，但频带窄一直是它的一个缺陷[2]。普通的微带贴片天线的相对带宽为[3]0.5%～3%，因此限制了微带天线在工程上的实际应用。为了扩展微带的天线频宽，减小微带天线尺寸[4]，同时考虑到在许多应用中，人们希望天线能够工作于两个或者多个任意间隔的离散频段，以实现更多的功能[5?6]，设计并仿真了一种新型宽频双频段微带天线，该天线印制于1.6 mm厚玻璃纤维环氧树脂基板上[7]，采用同轴线馈电，基本实现了小型化、宽频带和双频段三者的统一[8]。

1 微带天线结构

所设计的微带天线的基本结构如图1所示，正面结构大致是圆环辐射贴片中心嵌套一个矩形辐射贴片，其参数为[R1=]13 mm，[O=]25 mm，[K=]6 mm，[C=]15 mm，[W=]2 mm，背面是矩形参考地，其长度与基板长度相同，高度[H1=]11 mm，基板尺寸为40 mm×40 mm，其厚度[H=]1.6 mm。选用基板的材质为玻璃纤维环氧树脂，即常用的PCB电路板，成本低、制作簡单，其相对介电常数[εr=4.4，]损耗正切[tanδ=0.05]。

2 微带天线仿真结果

如图2所示，经过HFSS 13.0进行仿真，从1～12 GHz对天线进行扫频，发现其可用频段为2.7～5.39 GHz，6.39～10.5 GHz，10 dB带宽[9]分别为2.69 GHz和4.11 GHz。一般情况下，当定义宽频天线时，都采用美国1989 年美国国防高级研究计划局（DARPA）的规定，要求其相对工作带宽[10]≥25%。相对带宽的计算公式如下：

[BW=2（fH-fL）fH+fL×100%≥25%]

式中[fH]和[fL]为天线工作频段的上、下截止频率。

经计算发现，低频段的相对带宽约为67%和49%。而对于目前应用广泛的通信标准中，无线局域网（WLAN：2.4～2.484 GHz，5.15～5.25 GHz，5.725～5.825 GHz）的中间频段、超宽带（UWB：3.1～10.6 GHz）的大部分频段以及X波段的通信（通常的下行频率为7.25～7.75 GHz，上行频率为7.9～8.4 GHz）都可以应用到此天线。

为了进一步了解天线的辐射性能，分别选取低频段中5 GHz和高频段中7 GHz的频率点进行仿真求解，观察其表面电流分布，如图3所示。图3a），图3b）分别为5 GHz和7 GHz时的表面电流分布图。

图4a），图4b）分别为5 GHz和7 GHz时的二维平面增益方向图。通过查看天线的三维增益方向图，天线在求解频率为5 GHz和7 GHz的最大增益[11]分别为4.54 dB和4.94 dB。

通过分析图3可以发现，无论是5 GHz还是7 GHz的频率点，大的表面电流分布主要集中在环形辐射贴片圆周上，且位置不同，而对于中间矩形辐射贴片的表面电流分布都比较小，说明其主要对应的不是这两个频率点。从图4二维平面增益方向图可以看出，低频段天线的全向性相对于高频段要好，不存在裂瓣，高频段天线增益在[xOy]面发生裂瓣[12]。

3 微带天线结构分析

为了进一步研究天线结构对其小型化和宽频带的影响，仿真改变其圆环辐射贴片半径[R1、]圆环辐射贴片圆心高度[O]以及矩形辐射贴片长[C]和宽[K]对天线性能的影响，如图5～图7所示。

从图5可以看出，当圆形辐射贴片半径[R1]从11～14 mm逐渐增加时，天线的谐振频率不断增多，谐振点对应的反射系数不断减小，13 mm时效果比较好，出现可用宽频带，14 mm时宽频带消失。如图6所示，通过改变圆形辐射贴片高度[O，]当[O=]24 mm时，不存在明显的宽频特性，当[O=]25 mm和[O=]26 mm时宽频特性比较明显，但在[O=]26 mm时高频段的可用频段相对较窄。为了研究矩形辐射贴片的影响，选取不同的[C，K]组合，如图7所示，其中红、黑和绿三条曲线分别代表[C=]14 mm，[K=]5 mm；[C=]15 mm，[K=]6 mm；[C=]16 mm，[K=]7 mm时天线的反射系数[S11]随扫描频率的变化。通过观察发现，当[C，K]不断增大，即矩形辐射贴片不断增大的过程中，天线低频段基本没有变化，主要影响高频段的宽频特性。

4 结 语

本文主要设计了一种新型的PCB微带贴片天线，采用同轴线馈电。通过HFSS仿真软件对天线模型进行大量仿真试验，最后得到了覆盖2.7～5.39 GHz，6.39～10.5 GHz，相对带宽分别为67%和49%的宽频双频段天线，这款天线具有体积小、重量轻和易于大批量制作等优点，对于实际工程应用具有一定参考价值。

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