用于PCS與IMT-2000的雙U形縫寬帶微帶貼片天線

摘 要:設計了一種用于PCS和IMT-2000頻段的雙U形結構的微帶貼片天線，提出了一種新的方法，用同軸饋電的不是傳統平行的雙U形矩形微帶貼片，其優點也是可以增加輸入阻抗帶寬。天線使用合適的尺寸，可以使U形縫天線在1 710~2 170 MHz頻段內高達23.7%的相對帶寬(VSWR<2)。使用商業軟件HFSS10得到天線的回波損耗和方向圖仿真結果。

關鍵詞:微帶天線; 雙U形結構; 相對帶寬; 回波損耗

中圖分類號:TN820 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)12-0037-02

Broadband Micro-strip Patch Antenna with Double U-slot for PCS and IMT-2000

WANG Ya-jun， ZHU Shou-zheng

(East China Normal University， Shanghai 200241，China)

Abstract:A new method of adopting a coaxial feed double-U type ofrectangular micro-strip patch which can increase the impedance bandwidth is introduced to design the micro-strip patch antenna with double-U structure working in PCS and IMT-2000 waveband. Proper dimensions for the antenna can make the double U-slot bandwidth as high as 23.7%(VSWR≤2) in 1 710~2 170MHz waveband. The return loss of antenna and simulation results of radiation pattern using commercially software HFSS10 are gained.

Keywords:microstrip antenna; double U-slot; relative broadband; return loss

0 引 言

隨著高頻信號和高速數據通信的快速發展，比如最近幾年發展的PCS和IMT-2000的服務，再加上今年和以后發展的3G和LTE業務的發展，人們迫切去需要發展能夠傳輸大容量的，帶寬很寬的天線設備[1]。IMT-2000服務有許多優點，能夠高速地傳輸數據和圖像。當今社會，手機被廣泛使用，所以用于發射和接收的基站性能也要有大幅度的提高。同樣，隨著3G業務的不斷發展，它是高速數據傳輸的蜂窩移動通信技術。3G服務能夠同時傳送聲音(通話)及數據信息(電子郵件、即時通信等)。代表特征是提供高速數據業務，盡管高速率瀏覽，移動視頻已經出現在GPRS/CDMA1X中，但是只能將這些業務稱為“演示版”，他們規模化演示后所要求的帶寬確實是3G網絡很難提供的[2]。這些新的業務需求，對數據傳輸的高速性能要求很嚴，這一切也需要設計出高新能大帶寬的基站天線。在此，主要設計了用于PCS的1.75~1.87 GHz和IMT-2000的1.92~2.17 GHz頻段的U形結構的寬帶微帶天線。本文的設計思想和設計思路可以用于設計3G和LTE基站天站中，而且，還可以用于終端產品的天線設計中。但是，眾所周知，普通的貼片天線有帶寬窄的缺點，也出現了一些改善帶寬的一些方法，比如，使用多層結構的貼片[3]，耦合饋電[4]等技術。近年來在一些文獻上出現了采用在貼片天線開縫的方式來提高帶寬，文獻[ 5] 中講到了這種縫隙貼片天線，能夠提高天線的帶寬;文獻[ 6] 中在貼片上加了短路針;文獻[ 7] 中使用了開半U形縫隙;文獻[ 8] 中用到了L形探針耦合饋電;文獻[ 9] 中采用E形縫隙貼片天線來提高帶寬。在該設計中，對文獻[ 2] 中的天線的結構做了改進，采用雙U形相對放置的貼片天線，對帶寬又有了進一步的提高。

1 天線設計

圖1顯示的是天線的結構，由于這個天線設計的參數很多，天線的相關參數的大小已經標注在天線中，天線采用介電常數為2.2的介質板，在天線設計和優化中要不斷的調節各參數的大小，比如接地板的大小，貼片的大小，U形縫的大小，以及饋電的位置等。該設計中，把饋電放在中心原點，將接地板的大小固定不變，取為110 mm×110 mm。主要優化貼片的大小和縫隙的大小。縫隙的優化包括，U形縫的縫寬，縫的長度和寬度，縫的邊緣和貼片邊緣的距離。在設計中，取縫隙到貼片邊緣的距離是5 mm。從圖1中可以看到，它是2個相對的U形縫隙組成的，與文獻[ 5] 傳統的單U形縫隙和文獻[ 10] 中的平行的U形不同，其性能上有所提高。

圖1 天線結構圖

在單U形縫隙天線上，可以得到一個諧振頻率點，當加上第二個U形縫隙時，可以得到第二個諧振頻率點，通過調節兩個縫隙的參數調到適合的大小，使天線的帶寬得到提高。

2 仿真結果

通過商業軟件HFSS 10對上述設計的天線進行仿真，下面包括天線回波損耗，天線的方向圖，天線的駐波比的仿真結果。圖2是天線的駐波比的仿真結果，可以看到在所要求的頻段上駐波比小于2.0.符合大多數天線場合的要求。

圖2 天線的駐波比仿真結果

圖3為天線的方向圖，從圖中可以看出，天線的增益不是很好，但是可以通過其他的手段來補償，比如將天線做成陣列的形式，或者可以把天線做在一些終端產品中。

圖3 天線的方向圖

3 分析與討論

利用軟件HFSS10中的參數掃描功能做優化分析，我們改變第二個U形縫隙的長度來觀察天線的性能的變化。從圖4可得到分析的結果。

圖4 分析結果

從分析結果來看，最佳結果就是圖1中標注的大小。使用HFSS10中這個功能對分析問題有很大的幫助。

4 結 語

隨著技術要求的不斷提高，對天線的性能要求越來越高。本設計對天線的設計提供了一個好的思路，還可以做成三頻或多頻的天線，還可以考慮再增加U形縫隙的數量，使性能上進一步提高。但是，該設計中有個很大的不足，天線的增益不高，可以調節饋電的位置再進行進一步的調節。如果想把這天線做的更好，還需通過相關算法進行優化，比如遺傳算法。

參考文獻

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