C波段矩形微带天线设计

卢 慧

（商丘职业技术学院，河南 商丘 476100）

0 引 言

微带天线最初于20世纪50年代被提出，当时受介质材料和机械加工精度等限制，未能得到快速发展。随着介质材料和光刻敷铜等相关技术的发展，70年代微带线天线技术得到快速发展。微带线天线相对于其他形式的天线具有制作成本低和结构简单等优点，同时微带天线可以直接加工在印制电路板上，方便和其他电路连接，同时也适合设计阵列天线[1]。现如今，随着移动通信技术的发展和人们对电路设计小型化及低功耗等特点的追求，微带线天线在移动通信设备中发挥着越来越重要的作用[2]。同时，在卫星通信领域，微带线天线也有着广泛的应用，特别是在低剖面和全向性等方面有着显著优势。

微带天线小型化技术主要通过两种方法来缩小天线的尺寸。一种是通过不同的拓扑结构来降低尺寸，主要通过在辐射单元上开槽，采用特殊形状的辐射单元和不同的加载技术等[3-5]。另一种是通过改变介质材料来缩小天线尺寸。使用高介电系数的介质材料可以减少传输线和辐射单元的尺寸，也可以通过新型材料等来缩小天线尺寸[6]。

常用的微带天线主要有振子天线、缝隙天线、行波天线以及贴片天线4种。这4种天线类型中，除了行波天线外，其他3种天线属于谐振类天线，通常只能工作在谐振频率附件。行波天线属于非谐振型天线，需要通过负载匹配来保证行波的传输。微带贴片天线主要在基板上实现其结构，基板一面通过敷铜板构成接地板，另一面通过刻蚀和不同形状实现天线对外辐射能量。天线可以设计成不一样的形状，本文重点研究矩形贴片天线。

常见的微带贴片天线结构主要由介质、参考地以及辐射单元组成。参考地与辐射单元位于介质的两面。贴片天线的参数主要包括辐射单元的长度和宽度、介质层的介电系数、损耗正切角以及介质层的厚度等，上述的参数都会影响天线的辐射性能。

1 理论和设计

本文设计一款谐振频率在5.2 GHz的矩形天线，使用Roger 5880介质板。根据天线的工作频率和介质的介电系数，矩形天线的长宽分别为23.7 mm和18.4 mm[7]。为了降低辐射单元边缘的辐射泄漏，接地板的尺寸设计为40 mm×40 mm。基本微带矩形天线的结构如图1所示。

图1 矩形微带天线

矩形微带天线激励端口的S参数如图2所示，可以看出S参数的最小值位于5.3 GHz的位置，取值为-3.75 dB。虽然天线频率和设计要求基本一致，但-3.75 dB的S参数难以满足工程需要。为了提高天线的辐射效率，降低5.2 GHz附近S参数的值，本文在天线馈电端加入缝隙，通过优化缝隙参数提高天线辐射效率[8,9]。

图2 矩形微带天线激励端口的S参数

在图1的结构上，馈线和天线相连的位置开一个缝隙。缝隙宽度为1 mm，长度为2～6 mm。新的结构如图3所示。后续在仿真计算过程中，将缝隙长度设置为变量，根据不同缝隙长度分别计算天线激励端口的S参数[10]。

图3 加缝隙矩形微带天线

2 仿真及结果

根据图3的尺寸和结构，通过HFSS软件进行仿真计算。以缝隙长度为自变量，得到的激励段S参数如图4所示。由图4可以看出随着缝隙的长度变长，在5.3 GHz附近处激励端口的反射能量变小。当缝隙长度为6 mm时，反射能量＜-17.5 dB，此时能量辐射效率最高。

图4 缝隙长度与S参数的关系

将缝隙设置为宽度1 mm，长度6 mm时，天线总增益的三维图如图5所示。根据图5可以看出，在天线辐射单元一边增益分布均匀。在垂直天线辐射单元方向，天线增益最大，最大增益为8 dB。

图5 矩形天线3D方向图

通过图5可以看出增益分布呈旋转对称状态。为了清晰看某一切面的增益分布，选择PHI值为0和90°两个切面。图6为两个切面的增益分布图，可以看出两个切面的增益图几乎一致，即天线的三维分布呈旋转对称关系。在地平面上方，天线几乎没有方向性，近似全向天线[11]。

图6 矩形天线2D方向图

本文通过对原始的矩形微带天线改进，在馈电端加入缝隙，使天线的反射能量大为减少，能够满足工程中对天线的使用要求。本天线近似全向天线，可以满足小型设备和手持设备基本的使用要求。

3 结 论

通过前面的描述，本文所设计的天线可以实现全向能量传输，同时在设计频率范围内输入端的反射能量＜-17.5 dB。相较于普通的矩形微带天线，在馈电端引入缝隙可以调整天线的S参数，即调整了天线的输入阻抗。此外，本文所描述的方法可以用在一般矩形天线设计上，效果较好。