适用于FDD-LTE/WCDMA的宽频微带贴片天线设计

（西南交通大学 电磁场与微波技术研究所，四川 成都 610031）

近年来，在无线通信技术的推动下，现代通信天线向宽频带、小型化、高增益、低成本的方向发展。贴片天线因其体积小、低剖面、制作简单、易集成于微波电路等特点引起了人们的广泛关注。贴片天线必需的元件包括地板、辐射板、馈电结构和必要介质基板的支撑。通常，在天线辐射板和接地板之间采用价格低廉的发泡层，两板之间的间距为(0.03～0.12)λg（λg为匹配好的阻抗带宽低端频率的波长）。由于间距较大，介电常数较低，常采用同轴长探针或类似的馈电结构对辐射板进行馈电激励。但长探针会引入较大的引线电感，从而导致差的阻抗匹配，对于一般的贴片天线阻抗带宽限制在 8%左右。想要实现满足现代移动通信要求的带宽，就必须设计一些新型的阻抗匹配技术。

目前，微带贴片天线常采用在谐振频率附近引入一个额外的谐振体来增加微带贴片天线的阻抗带宽。这些寄生的谐振体（通常也是贴片）可以附着在主贴片的同一层上[1]；或叠加在主贴片上，做成双层或多层天线[2]。前一种通过缝隙耦合的方式引入额外的谐振，但是增加了天线的体积，这与小型化天线的目标相背。后一种叠层结构中，由于主贴片与叠层贴片之间的强耦合，附加的谐振器被激励得较好。对于单层的贴片天线，为了引入额外的谐振，可以采用在辐射板上刻出一条或多条缝隙。通过在辐射板上的不同位置开不同形状的槽缝隙，缝隙边缘电流引入了附加谐振，同时，缝隙也引入容抗，与探针的感抗相抵消，从而展宽频带。大量研究[3-8]表明，大的宽长比W/L和h＞0.06λ1的厚度以及在辐射体上刻出各种形状的槽缝隙可以达到 20%的频率带宽。

为了设计一种适用于 FDD-LTE/WCDMA的微带贴片天线，本文提出了一种在辐射板上开新型倒“T”形槽缝隙的结构，引入额外谐振。同时设计了一种新的馈电结构，在馈电探针和辐射板之间插入垂直馈电片，来补偿馈电探针和辐射板之间由于长探针引入的高感抗。通过改变槽的尺寸、位置和形状可以有效改善天线的阻抗带宽，获取更宽频段。仿真结果表明，该天线的S11≤–10 dB的相对带宽为30%，覆盖1.7～2.3 GHz频段，满足通信系统频段的带宽要求，工作性能稳定，1×2阵列天线最大增益达到12.6 dBi，辐射特性好，满足基站天线设计要求。

1 天线设计

本天线的设计遵从传统的微带贴片天线设计理念，图1给出了天线的几何结构。天线最上层为矩形辐射板，中间为馈电结构，下层为介质基板和接地板。

图1 天线视图Fig.1 Views of the antenna

介质基板采用 FR4介质材料（εr=3.38 tanδ=0.0037），厚度为Hs，大小为 180 mm×96 mm。介质基板下方为接地板，位于xy平面，z轴在接地板的几何中心。辐射贴片通过4个塑料支柱固定在介质基板上，塑料柱的半径为2 mm，支柱的材料为Teflon_Based（εr=2.08）。

辐射板大小为W×L，与介质基板的距离为Hg。在辐射板上开有倒“T”形槽，如图1（b），槽位于辐射贴片中央，距离贴片边缘为Dt，为了增大带宽，在槽中央设计一个用于馈电的薄板，与槽的两边缘相距L2。薄板中央下方垂直焊接一个大小为Lf×Wf的矩形铜薄片，矩形馈电贴片由50 Ω的同轴探针在底部馈电。SMA同轴探针位于接地板底部，馈电点位于辐射板中心。因此，辐射板是由一个铜板线性馈电而不是由一个探针点馈电。为了增大贴片天线的阻抗带宽，在辐射板和探针之间增加了一个阻抗变换器。同时，阻抗匹配的提高还可通过调整辐射板与地板之间的距离Hg，当Hg增大时，输入电容也会相应增大。

本设计天线主要工作在1.7～2.3 GHz频段。由于天线的谐振频率与辐射贴片的尺寸和开槽缝隙的形状以及尺寸有关，通过改变天线的结构参数来达到调整谐振频率的目的。辐射贴片尺寸与谐振频率的关系如下[9]：

式中：c为光速；fr为天线的谐振频率；εr为相对介电常数；εe为有效介电常数；DL为贴片的延伸常数。

通过上述(1)～（4）式，得到未加载“T”形缝隙的矩形贴片天线的近似尺寸，再通过 HFSS建模，加载“T”型缝隙仿真优化，得到天线性能较好的一组天线结构参数。天线的具体参数如表1所示。

表1 天线的结构参数Tab.1 Parameters of the antenna mm

由于现在通信环境复杂，对天线增益要求高，因此在天线单元基础上，组成一个1×2的天线阵列，为了满足基站天线对辐射增益的要求，并增加一个天线反射板的设计。图2给出了1×2天线阵列的结构和尺寸结果。两个辐射贴片通过八个塑料支柱固定在介质基板上，基板下表面为接地金属层。天线馈电结构印刷在基板的上表面，阵列采用如图2（b）所示的等相位等振幅的并馈结构，这种一分二功分器可覆盖1.7～2.3 GHz的带宽，基本形式是Wilkinson功率分配器。在距离天线下方四分之一波长处加一个平板反射器，反射板尺寸为360 mm×150 mm，通过金属支柱将天线支架固定在反射板上。金属柱的半径为2 mm，高为27.5 mm。

2 仿真分析

影响天线性能的主要因素有辐射贴片尺寸，开槽缝隙的形状和尺寸以及辐射板与地板之间的距离。利用三维电磁仿真软件 HFSS对该天线进行仿真优化，天线的阻抗特性频段为1.7～2.3 GHz。在保持其他参数不变的情况下，天线的反射系数S11随缝隙的臂长L1以及天线的高度Hg变化的频率特性曲线如图3和图4所示。由图3可知，当天线缝隙L1增大时，由天线产生的主谐振频率和缝隙引入的额外谐振频率相互靠近，从而展宽天线的阻抗带宽，当L1=25 mm时，天线的阻抗匹配达到最佳。

图2 阵列天线视图Fig.2 View of array antenna

图3 天线反射系数S11和L1的关系Fig.3 Relationship of S11 of antenna and L1

由图4可知，改变天线辐射贴片与地板的距离Hg，即改变空气层的厚度，从而对天线的阻抗匹配有较大影响，当距离Hg=10 mm时，天线阻抗带宽达到最大。天线的仿真结果证明：天线缝隙的臂长L1以及天线的高度Hg对天线的阻抗匹配有较大影响。

图4 天线反射系数S11和Hg的关系Fig.4 Relationship of S11 of antenna and Hg

通过 HFSS软件对天线各个结构参数进行仿真优化后，得到了单元贴片天线反射系数S11的频率特性曲线如图5。仿真结果显示本设计微带贴片天线实现了S11≤–10 dB的阻抗带宽为30%，覆盖了1.7～2.3 GHz频段。在频段内平均增益达到8.3 dBi，在1.9 GHz时主射方向最大增益达到9.2 dBi。表2给出了该单元天线与其他微带贴片天线的性能对比结果。可以看出，此天线有着良好的带宽和辐射特性，在增益和带宽方面明显优于其他微带贴片天线。

图5 天线S11和增益曲线Fig.5 S11 and gain plots of the antenna

表2 微带贴片天线结果对比Tab.2 Comparison of the proposed antenna with other reported works

图6为天线阵列和天线单元的反射系数S11和增益对比，当天线组成阵列后，由于两个天线之间相互耦合，会激励新的模式，产生新的谐振频率点，但会对阻抗匹配产生影响，因此阵列天线出现3个谐振频率。天线的增益G与最大有效孔径面积的关系如下式：

式中：λ为天线的工作波长；Ae是天线的有效孔径面积（接近实际的物理孔径面积）。阵列天线在1.7～2.3 GHz工作频段内，平均增益达到10.6 dBi，在1.9 GHz时主射方向最大增益达到12.06 dBi。根据式（5）可知，二单元阵列天线的有效孔径面积Ae是单元天线的两倍，因此在1.9 GHz时阵列天线主射方向最大增益相比单元天线提高3 dBi，理论结果与仿真结果相近。

图6 阵列天线与单元天线S11和增益曲线Fig.6 S11 and gain plots of element and array antenna

图7为矩形辐射贴片表面电流的分布。由图7（a）可以看出在矩形贴片上加载一个倒“T”型槽，贴片上电流的分布发生改变，主要集中在槽缝隙周围，导致贴片的主模受到扰动，从而在低频段谐振频率也发生相应的改变。在高频段，天线会激励高次模，表面电流分布如图7（b），电流除了主要分布在槽缝隙周围，还分布在辐射贴片的边缘。可见，通过加载缝隙的方法可以改变贴片表面电流路径，可增大天线的工作频带。

其次，对天线在1.7～2.3 GHz的辐射波瓣图进行了分析研究，图8给出了单元天线和阵列天线工作在1.7～2.3 GHz的E面和H面（即Phi=90°和Phi=0°）辐射波瓣图。如图8中，当天线工作在低于2 GHz的频段时，天线波瓣图类似于贴片天线，且E面和H面主射方向均在0°方向；当天线工作在高于2 GHz频段时，天线会激励高次模，天线的辐射波瓣图在主射方向发生了比较大的畸变。阵列天线的最大增益如图6，在低频段（1.6～2.0 GHz）天线主要产生主模，增益超过了 11.34 dBi，最大增益达到 12.06 dBi。在高频段（2.0～2.3 GHz），天线激励高次模，增益有所降低，但整体辐射性能良好。

图7 天线工作时的电流分布图Fig.7 The current distributions of the antenna

图8 单元天线和阵列天线在各个中心频率的辐射方向图Fig.8 The radiation patterns of the element and array antenna at 1.7, 1.9, 2.1, 2.3 GHz

3 结论

提出了一种加载倒T型缝隙的贴片天线。天线工作于1.7～2.3 GHz频段，S11≤–10 dB的相对带宽为 30%，天线的整体辐射特性良好，1×2天线阵列最大增益达到 12.6 dBi，可应用于 FDD-LTE和WCDMA工作频段的移动通信基站。

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