超宽带天线的一种设计方法

房国志， 侯瑞强， 张玉成

(1. 哈尔滨理工大学 测控技术与通信工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150080；2. 哈尔滨电力工程安装公司 电缆工程处, 黑龙江 哈尔滨 150080)

超宽带天线的一种设计方法

房国志1， 侯瑞强1， 张玉成2

(1. 哈尔滨理工大学 测控技术与通信工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150080；2. 哈尔滨电力工程安装公司 电缆工程处, 黑龙江 哈尔滨 150080)

根据电磁场理论提出了一种用于无线通信的微带贴片天线设计方法．根据天线的工作频带，对天线进行结构设计及辐射结构的等效电路分析．为了验证该天线结构参数的有效性，对该天线进行有限元仿真、相关结构参数优化，以达到带宽和辐射最优的目的．经实际制作和测试，结果表明，该天线的阻抗带宽 (10 dB 回波损耗)可达 10 GHz (2.0～ 12.0 GHz)，倍频带宽高达6，其带宽是十字交叉单极子天线带宽的3倍之多．此外，该天线在工作频率内具有良好的全向辐射特性和增益水平，天线结构简单，性能稳定，实用性强．

贴片天线;宽带;全向;增益

随着移动通信技术的快速发展，用户数量逐渐增加，无线通信系统数据容量增大，这就使得通信终端的天线必须具有较高的数据传输效率和覆盖较宽频带的能力[1]．同时为适应无线终端小体积、低剖面等要求，天线结构应该尽量减小[2]．在这样的发展趋势下，人们采用体积小、易集成、效率高及分析方法比较成熟的微带贴片天线来研究天线频带的展宽．

目前常用的扩展微带贴片天线带宽的方式有: 电磁耦合、阻抗匹配网络及开槽技术等．利用这些方法来降低天线等效谐振电路的品质因数，使谐振曲线平坦，达到比较宽的工作频带．文献[3]中的天线是利用电磁耦合的方式馈电，形成多谐振点耦合谐振．由于贴片大小相差不大，使得谐振频率彼此靠近，从而达到展宽频带的效果．文献[4-5]中的天线工作频带展宽是通过加载短路阻抗来实现的，加载的阻抗越大，天线的品质因数越小，相对应的频带也就越宽，但是会使天线的增益减小．因此，加载短路阻抗的大小成为决定天线增益和带宽的一个重要因素．文献[6-7]中的天线是利用开槽技术来展宽频带的，天线的贴片通过开槽来激励多个谐振模式，形成多个谐振回路，使这些谐振频率相互靠近来展宽频带．开槽技术可以减小天线尺寸和增大天线的带宽，但该类天线设计复杂和计算难度大，且容易带来额外的交叉极化分量，使得其一般用于双频或者多频天线设计．

采用以上展频天线的方法虽然在频带展宽方面取得一定的成果，但是以牺牲天线的其他性能参数为代价的．为了在不影响天线性能的同时能够展宽频带，笔者在现有的宽频带贴片天线设计理论的基础上，以附加贴片天线的形式，设计了一种新型的对称贴片天线．通过等效电路分析、高频结构仿真(High Frequency Structure Simulation，HFSS)软件设计仿真以及实际制作测试，结果表明，天线的工作带宽具有显著的提升，且天线体积小、性能稳定．

图1 天线的几何结构

1 天线结构设计及电路等效模型

文中提出的天线几何结构如图1(a)所示，参考天线的几何结构如图1(b)所示[8]．文中天线的尺寸L×W×h= 50 mm× 50 mm× 1.6 mm，基板是相对介电常数εr为4.4的玻璃纤维板．天线的辐射结构由4个基本的矩形贴片组成，其中水平的矩形贴片A和垂直的矩形贴片D共同构成传统十字交叉型贴片天线，贴片C与贴片B关于天线中心水平对称．贴片B的方向由旋转角度θ来确定，所以贴片C的旋转角度为 -θ，贴片的大小尺寸如图1(a)所示．天线的地板印刷于玻璃纤维板的背面，结构尺寸W×H= 50 mm× 11 mm．该天线是通过宽度为G的 50 Ω 微带线进行馈电，微带线与辐射结构共面，且馈电间隙(地板上边缘与贴片下边缘之间的横向间隙)宽度为g．

通常对于任何尺寸小于5 cm的天线都被称为“电小天线”(λ<2π)，此类超带宽天线在输入端表现为一个电容或是电感，天线输入阻抗的电抗部分支配着整个输入阻抗．从电路的观点看来，一个天线被认为是一个有耗的一端口网络．在该网络中，功率的消耗等价于天线的辐射功率．

图2 天线的等效电路模型

对于文中所设计的超带宽小天线，因为电抗占主导，所以它们能够被假定低损耗，并且能够用经典的Foster模型进行建模[9]，然后采用LC串联谐振电路和LRC并联谐振电路连接Foster经典电路作为天线的电路模型，其中LC串联谐振电路类似于高通滤波器，LRC并联谐振电路类似于一个低通滤波器．确定所需要建模天线的工作带宽和谐振频率ω0，根据ω0= 1/ (LC)1/2得到模型中初始电感电容粗略值，具体值要通过在电路仿真软件微调等效模型来得到．如果小天线工作在低于第1个谐振点的频带里，则超带宽贴片天线的等效电路模型如图2所示．

2 仿真与实验

在对天线结构设计和等效电路分析的基础上，使用有限元仿真软件HFSS13.0对新天线进行了仿真分析，分别对部分结构参数变化所导致的结果进行对比，得出此天线的最佳结构参数．下面将分别验证旋转角度θ、旋转贴片大小尺寸a、c以及馈电间隙g对天线性能的影响．

贴片B和贴片C是关于天线中心水平对称的，所以旋转角度θ同时控制俩个贴片的位置和方向．当θ为90°或者0°时，文中天线和参考天线相同．当θ为其他角度时，其仿真结果如图3(a)所示．从图中可以看出，θ的变化对天线的回波损耗具有明显的影响．当θ为30°时，天线具有最佳的阻抗匹配特性．此时，天线的阻抗带宽 (10 dB 回波损耗)可达 10 GHz (2.0～ 12.0 GHz)，倍频带宽高达6．

图3 各参数变化时天线回波损耗曲线的仿真结果(W=L=50 mm，G=3 mm，H=11 mm，a=27 mm，c=9 mm，g=1.5 mm，h=1.6 mm， θ=30°)

影响天线阻抗匹配的一个重要因素是馈电点和地板的耦合效应，从图3(b)可以看出馈电间隙g的变化对天线带宽的影响．由于馈电间隙的耦合效应会给天线结构带来分布电容，与辐射结构的感抗相互补偿，从而改善了天线的输入阻抗．当g= 1.5 mm 时，天线阻抗性能达到最优．天线的带宽同时也受贴片上的等效电流路径的影响，通过改变贴片B、贴片C的结构尺寸来选择最佳的阻抗匹配特性，仿真结果如图3(c)和图3(d)所示．当a= 27 mm，c= 9 mm 时，天线的阻抗带宽达到最大值 10 GHz．

以上分别研究了贴片旋转角度、辐射贴片的结构尺寸、馈电间隙对天线工作带宽的影响，通过软件仿真选取最大带宽所对应的旋转角度和结构尺寸的参数．同时也研究了馈电间隙g对天线阻抗的影响，适当的g值能够使输入阻抗的虚部平坦且稳定在零值附近．文中使用 50 Ω 微带线对辐射结构进行馈电，图4给出了文中天线与参考天线的输入阻抗仿真结果．从图中可以看出，文中天线的阻抗曲线变化相对平缓、稳定，且输入阻抗实部接近 50 Ω．

图4 文中天线与参考天线的输入阻抗仿真结果

3 天线测试结果

利用天线结构设计和仿真优化的结果，对文中天线进行了实际制作和实验测试．图5是文中天线的实物图，文中天线印刷在厚度为 1.6 mm、介电常数为4.4、边长为 50 mm 的正方形玻璃纤维板上，两个旋转贴片的尺寸为 27 mm× 9 mm，旋转角度为60°，水平贴片的尺寸为 23 mm× 13 mm，垂直贴片的尺寸为 23 mm× 9 mm，50 Ω 微带线的尺寸为 13.5 mm× 3 mm，地板位于天线的背面，尺寸为 50 mm× 11 mm．使用安捷伦8753E矢量网络分析仪对天线实物进行测试，图6给出了仿真结果和实际测试的回波损耗曲线图，两支曲线的走向大致相同但存在偏差，这是因为实际制作工程中，很难达到仿真所要求的理想状态，以及介质的厚度、介电常数等参数也存在微小偏差．从测试结果来看，天线的阻抗带宽 (10 dB 回波损耗)可达 10 GHz (2.0 GHz～ 12.0 GHz)，倍频带宽高达6．

图5 文中天线实物图图6 天线的回波损耗仿真值与测量值对比

图7 天线的电压驻波比图8 天线峰值增益随频率的变化曲线

图7给出了文中天线实测的电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)．从图中可以看出，文中天线在工作频带内的电压驻波比小于2，符合宽频带天线的设计要求．图8为天线峰值增益在工作频带内随机选取的部分频率的测量值．可以看出，在 2.0 GHz、6.0 GHz 和 12.0 GHz 处的天线增益分别为 1.25 dBi、4.50 dBi 和 4.20 dBi．在工作频带内，天线的峰值增益随着频率的升高而呈上升趋势．

方向性也是研究天线性能的一个重要因素．由于文中天线在垂直于贴片方向上与磁流的方向相同，所以辐射场互相叠加，达到最大值; 贴片的左右磁流彼此呈反对称分布，水平分量的电场相同，垂直分量的电场相反，电场和磁场将没有Z方向的分量．因此，在H面各处辐射抵消; 在E面上各处电场也相抵消，为准TEM波．天线总辐射场的E面和H面方向图分别为

其中，φ是球坐标的方位角，θ是球坐标的俯仰角，(θ，φ)为场点球坐标．h为介质的厚度，d为贴片的宽度，λ0为工作波长．

为了验证文中天线的辐射性能是否与理论分析结果相同，在工作带宽内选取 2.0 GHz、6.0 GHz 和 12.0 GHz 对天线实物进行方向图测试．图9为天线的归一化方向图．由于文中天线辐射结构对称，归一化方向图在全频段内具有良好的对称性．

图9 天线归一化方向图

4 结 束 语

文中设计了一种新型的宽频带贴片天线，通过等效电路、仿真优化、实际制作以及实验测试，得出天线的最优结构参数，使天线的阻抗带宽 (10 dB 回波损耗)可达 10 GHz (2.0 GHz～ 12.0 GHz)，倍频带宽高达6，这一带宽是参考天线带宽的3倍之多．并且在天线的结构设计上选择了对称结构，其H面辐射方向图在中低端工作频带内保持了很好的全向性．因此，文中天线不仅能够满足目前无线通信应用的要求，如无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)、全球微波互联接入(Worldwide interoperability for Microwave Access，WiMAX)、蓝牙、ZigBee等，也可以应用于工业科学及医疗频带等其他无线通信领域．

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MethodofUWBantennadesign

FANGGuozhi1，HOURuiqiang1，ZHANGYucheng2

(1. Harbin Univ. of Science and Technology, Harbin 150080, China；2. Harbin Power Engineering Installation Company Cable Engineering Office, Harbin 150080, China)

According to the theory of electromagnetic field, this paper presents a design method of a microstrip patch antenna for wireless communication. According to the working frequency band of the antenna, the antenna structure is designed and the equivalent circuit is analyzed. In order to verify the effectiveness of the antenna structure parameters, finite element simulation, the antenna structure parameters optimization to achieve an optimal bandwidth and radiation to the actual production and test results show that the impedance bandwidth of the antenna (10 dB return loss) is up to 10 GHz (2.0～ 12.0 GHz), and that the absolute bandwidth of the multiplier is up to 6, the bandwidth being three times the cross bandwidth of the monopole antenna. In addition, the antenna has a good omnidirectional radiation characteristics and gain level in the operating frequency, and the antenna has a simple structure, a stable performance and good practicability.

patch antenna;broadband; omnidirectional; gain

2017-01-17

时间：2017-06-29

国家自然科学基金资助项目(51277043)

房国志(1963-)，男，教授，E-mail: fangguozhi@hrbust.edu.cn．

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20170629.1734.030.html

10.3969/j.issn.1001-2400.2018.01.015

TN82

A

1001-2400(2018)01-0083-05

(编辑： 李恩科)