基于缝隙耦合的微带天线设计

鲁思维，单志勇，程云鹏，欧 阳

(东华大学 信息科学与技术学院，上海 201600)

0 引言

随着无线通信技术的快速发展,人们对宽带通信的需求越来越高,天线向宽带、高增益的方向发展已成为通信体制的必然趋势。微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线[1]。而传统的微带天线工作带宽窄、增益低，一般典型的微带天线的相对工作带宽只在2%～4%左右[2]。因此,对宽带高增益微带天线的研究具有重要意义。在扩展微带天线带宽、增益方面的研究有很多[3]：文献[4]基于新型双圆弧微带结构，设计一种信号传输特性优、带宽较宽的新型微带天线，并对六种不同基片介质的新型微带天线模型进行仿真，通过对仿真数据的分析比较，得出FR-4谐振抑制深度最大、信号传输损耗最小、信号输出特性最佳的结论；文献[5]中的天线由2个对称的双T槽型微带贴片组成，并以圆柱为载体形成共形，在3～7 GHz频段内，该天线能够使4个频段同时工作，可以应用于不同通信系统中；文献[6]设计的天线通过在半圆形辐射贴片上开一组尺寸和位置非对称的矩形槽实现圆极化，应用非共面的邻近耦合馈电补偿馈电探针的电感展宽天线的带宽，与圆极化E型微带天线相比，不仅提高了工作带宽，还缩小了顶层贴片面积；文献[7]中提出的W型微带贴片天线结构简单，实现了天线的小型化，其频带范围在1.92～2.15 GHz之间，相对来说还是较窄。

为适应移动通信的发展需求，本文设计了一种基于矩形缝隙耦合的微带天线，采用软件HFSS13对天线单元进行了仿真优化，并分析对天线轴比特性的影响较大的几个主要参数，最终确定天线结构，给出了天线的测量和仿真结果。

1 结构分析

1.1 天线结构设计

按照结构特征分类可以把微带天线分为微带贴片天线和微带缝隙天线。从以往的研究来看，不同的贴片形状也会影响天线的阻抗带宽。常用的贴片形状为矩形、正方形、圆形、三角形或者其他，通常会在这些图形的基础上做一些更加复杂的变化，以此改变天线的工作带宽、波束宽度、增益、轴比特性、圆极化等，来满足实际应用的需求。

本次设计的宽频带天线最终整体结构如图1所示。该天线对贴片的缝隙大小以及位置进行设计修改，整体包含三个部分，分别为顶层辐射金属贴片层、中间介质基板、底层接地板金属贴片层。天线所用介质基板的材料为FR4环氧树脂，其相对介电常数为4.4，介电损耗为0.02。其中，介质基板的长为50 mm，宽为45 mm，厚度为1 mm；顶层矩形贴片的尺寸为 25.8 mm×27 mm，与贴片相连的馈线长度为16 mm；为了展宽天线的工作带宽，在馈线与辐射贴片的连接处增加了一个尺寸为2.1 mm×5 mm的小矩形贴片；接地板的尺寸为16 mm×45 mm。图2中列出了该天线结构中顶层矩形贴片的设计过程，图中描述了天线引入缝隙的位置、大小以及形状的变化。

图2 天线设计过程变化图

1.2 理论分析

微带贴片天线的设计尺寸需要根据理论公式进行计算获得，然后再选择合适材料作为介质基片。假设有一个矩形微带天线，其介质板材料的介电常数为εd，工作频率为f，那么就可以用式(1)计算出天线顶层辐射贴片的宽度w。

(1)

式中的c为光速。

天线辐射贴片的长度设置为λm/2；λm为介质内的导波波长，计算公式为：

(2)

考虑到会存在边缘缩短效应，实际上得到的辐射单元长度L1的计算公式为：

(3)

其中εf是有效介电常数，Le是等效辐射缝隙长度，计算公式分别如下：

(4)

(5)

微带天线的窄频特性是由较大Q值的谐振特性所决定的[8]。因此，为了展宽微带天线的带宽可以通过降低Q值来实现，例如：选用介电常数较小和厚度较厚的介质层、改变天线或微带线的形状、增加阻抗匹配网络、改进天线的馈电方式等[9]。一般情况下，在设计天线时，会把天线的输入阻抗尽可能控制在50 Ω，馈线通常是使用50 Ω阻抗标准，以此来保证在工作频带内的驻波比尽可能小[10]。

2 仿真结果分析

用高频仿真软件HFSS13对图1所示的天线结构在1 GHz～10 GHz频段的性能进行了详细优化设计和仿真，测试了贴片尺寸、缝隙大小和位置对天线阻抗等各性能的影响。天线的阻抗带宽可以用在频率内的回波损耗(S11)和电压驻波比(VSVR)表示，匹配好的阻抗带宽必须以某个水平完全覆盖的工作频率范围表示，S11在该范围内的值要小于-10 dB。

天线仿真的S11参数曲线对比如图3所示。天线1中只引入了4个对称的L型缝隙，其带宽比较窄，S11<-10 dB的带宽范围仅覆盖了1.4 GHz～2.2 GHz；在此基础上，天线2贴片的边缘和中间部分新增了两组对称三角形缝隙，改变了表面电流的分布，从图中可以看出带宽的宽度稍微有所改善，但是还是没有达到实际应用的要求；最终的结构天线3调整了三角形缝隙的位置并增加了两个箭头型缝隙，使其谐振频率向高频移动，同时改善了阻抗特性，大大展宽了天线的工作带宽。天线3的S11参数小于-10 dB的频带范围为1.5 GHz～4.3 GHz，相对工作带宽接近100%。

图3 天线S11仿真对比图

经过改善后的天线增益性能也得到很大的改善，仿真得到的增益参数曲线对比如图4所示。从图中可得知，随着缝隙的增加和位置的调整，增益也越来越高。天线1在只增加简单矩形缝隙的情况下所得到的增益在低频段能达到2 dB左右，但是在3.5 GHz～5 GHz处的增益不符合要求；相比之下，天线2的增益在该范围内有所提高，但是低频段的增益还需要继续改进；最终结构的天线3在其工作带宽范围内(1.5 GHz～4.3 GHz)的增益都处于3.3 dB以上，在2.4 GHz处的增益为5.2 dB，在频带范围内最高增益可达10 dB。经过不断调整优化天线结构后，总体的增益性能已经可以满足实际应用的要求。

图5为天线3的AR仿真结果图，从图中可以看出，天线3结构所得出的3-dB轴比特性带宽为3.4 GHz～3.8 GHz，获得的圆极化带宽为11%，在该带宽范围内，特别是在3.6 GHz处，可以实现圆极化。对于圆极化天线而言，无论收信天线的极化方向如何，感应出的信号都是相同的。

图4 天线增益对比图

图5 天线3的AR示意图

辐射方向图是天线的一个重要性能参数，描述了在同一空间不同方向的情况下天线周边产生的辐射场的大小变化。为了更加清楚地分析优化后天线的辐射特性，仿真得到了天线的平面辐射方向图，在绘制天线方向图之前，需要定义远区场辐射表面。天线分别选取E平面(yoz面)和H平面(xoy面)作为主平面的方向图，如图6所示。

图6 天线平面方向图

3 结论

本文设计了一种基于多缝隙耦合的微带贴片天线，解决微带贴片天线的工作带宽较窄的问题。通过调整顶层贴片中引入缝隙的位置及大小改善了天线的轴比特性，展宽了工作频带范围，缩小了贴片面积。仿真结果表明，该天线在整个工作范围(1.5 GHz～4.3 GHz)内具有较高的增益，天线的阻抗带宽能达到100%，在3.4 GHz～3.8 GHz频带范围内的轴比小于3 dB，符合工作在蓝牙和WLAN的工作频段范围内的要求，适用于工作在S波段内的现代无线通信系统中。由仿真实验结果可以得知，在顶层辐射贴片引入缝隙对于微带贴片天线的带宽扩展、增益提高是有作用的，但是本文天线的圆极化带宽范围没有覆盖其工作频带，仍有改善的空间。