一種開雙C型槽的新型寬帶微帶天線設(shè)計(jì)

摘 要:提出一種新型寬帶天線結(jié)構(gòu)，在天線貼片兩邊緣開兩C型槽，以激勵(lì)出新的諧振點(diǎn)，并在介質(zhì)與地板間加入空氣層，降低Q值，從而在較小體積的條件下實(shí)現(xiàn)展寬帶寬的目的。通過仿真與測試結(jié)果表明，該天線在3.92~4.47 GHz頻帶內(nèi)反射系數(shù)均小于-10 dB，方向增益達(dá)到8.22 dB，具有良好的輻射特性。

關(guān)鍵詞:微帶天線;寬頻帶;C型槽;開槽

中圖分類號(hào):TN82文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)05-070-03

Design of Novel Broadband Microstrip Antenna with Double C-slots

LI Cunlong，SHI Xiaowei，XU Le，LIN Haojia，BAI Yanfu

(National Key Laboratory of Science and Technology on Antennas and Microwaves，Xidian University，Xi′an，710071，China)

Abstract:A novel wideband microstrip antenna is proposed.Two C-slots are etched in the edge of the antenna patch in order to stimulate a new resonance frequency.The air layer which is added between the media and the ground can reduce the Q value.So the purpose of exhibiting wide bandwidth can be achieved in small size.The simulated and measured results show that the reflection coefficient of the antenna in 3.92~4.47 GHz band is less than -10 dB，the direction of the gain is 8.22 dB with good radiation characteristics.

Keywords:microstrip antenna;wideband;C-slot;slotted

0 引 言

微帶天線以其尺寸小，電性能多樣化等特點(diǎn)得到了廣泛使用，但是由于其高Q的諧振本性決定了其帶寬很窄，限制了應(yīng)用，所以要展寬微帶天線帶寬。展寬微帶天線的方法很多，在現(xiàn)有的寬帶微帶天線結(jié)構(gòu)中，展寬帶寬的同時(shí)都會(huì)犧牲天線其他方面的性能。為了展寬帶寬，可以采用雙層結(jié)構(gòu)，但雙層結(jié)構(gòu)的天線往往厚度很大。T.Huynh and K.-F.Lee提出一種采用空氣介質(zhì)的單層、單輻射貼片開U形槽的結(jié)構(gòu)[1]，獲得了較寬的阻抗帶寬，這種結(jié)構(gòu)的槽開在天線貼片中央位置，對方向圖有一定影響，并且其厚度仍然很大。其后，又有工作者提出了單層E型天線形式[2]，雖然得到了滿意的帶寬，但尺寸往往很大，其寬邊一般都達(dá)到普通微帶貼片的1.5～2倍。

為了克服這些缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種性能良好的新型雙C型槽寬帶微帶天線結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)天線與開U型槽以空氣為介質(zhì)的天線相比，減小了高度，并對方向圖無影響，且在結(jié)構(gòu)尺寸上有比單層E型天線更小的優(yōu)勢。

1 天線基本結(jié)構(gòu)與原理

天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。上層是尺寸為Wg×Wg的介質(zhì)層，相對介電常數(shù)為εr，金屬貼片尺寸為W×W，C型槽豎向槽長度為l1，橫向槽長度為l2，槽寬度都為d，介質(zhì)厚度為h。下層是尺寸為Wg×Wg的地板，在地板和介質(zhì)層之間有一厚度為h1的空氣層。貼片位于介質(zhì)層上表面，用同軸探針饋電，貼片兩邊分別開有C型槽。

圖1 天線基本結(jié)構(gòu)圖

天線兩邊開兩C型槽，增加了電流路徑，在邊緣處產(chǎn)生反向電流激勵(lì)，從而產(chǎn)生新的諧振點(diǎn)。當(dāng)新的諧振頻率與原來諧振頻率靠得很近時(shí)，微帶天線的帶寬便得到了展寬，但由于微帶天線Q太高，很難實(shí)現(xiàn)寬帶，所以要降低Q值，可以采用增加介質(zhì)高度和降低介電常數(shù)的方法，給天線加上一層空氣層，介質(zhì)與空氣形成兩層介質(zhì)，可等效成一層介電常數(shù)比較低的新介質(zhì)。空氣層的加入既增加了介質(zhì)厚度，又降低了介質(zhì)常數(shù)，從而降低了天線Q值，有利于帶寬展寬。

2 天線設(shè)計(jì)

以圖1所示的天線結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用介電常數(shù)εr為2.65的聚四氟乙烯為介質(zhì)材料，設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率在4.2 GHz的天線。采用ANSOFT HFSS 11進(jìn)行仿真優(yōu)化。

該天線可以產(chǎn)生兩個(gè)諧振點(diǎn)，C型槽尺寸對天線高低兩諧振點(diǎn)有一定影響，低頻諧振點(diǎn)則由C型槽尺寸決定，當(dāng)增加C型槽豎向長度和橫向長度時(shí)，電流路徑增加，諧振點(diǎn)位置有所變化。如圖2所示，當(dāng)增加C型槽豎向長度l1時(shí)，高頻諧振點(diǎn)基本不動(dòng)，低頻諧振點(diǎn)向低頻移動(dòng)。如圖3所示，當(dāng)增加C型槽橫向長度l2時(shí)，高頻諧振點(diǎn)基本不動(dòng)，低頻頻諧振點(diǎn)向低頻移動(dòng)。可以看出，當(dāng)C型槽尺寸增加時(shí)，電流路徑增加，低頻諧振點(diǎn)變低，高頻諧振點(diǎn)位置不受C型槽影響，而由天線原尺寸決定。

圖2 C型槽豎向長度l1對S11影響

圖3 C型槽橫向長度l2對S11的影響

調(diào)節(jié)C型槽豎向與橫向長度，使兩諧振點(diǎn)最優(yōu)組合，得到S11性能最好的結(jié)果。分別得到在3.92 GHz和4.27 GHz的兩個(gè)諧振點(diǎn)，設(shè)計(jì)出中心頻率在4.2 GHz的寬帶微帶天線，仿真S11如圖4所示。優(yōu)化后的尺寸如表1所示。

圖4 設(shè)計(jì)天線的仿真S11

表1 天線尺寸

mm

WgWl1l2dWshh1fx

5025235.121147.3

圖5給出天線工作在3.9 GHz時(shí)貼片邊緣上的電流流向。由圖5可以看出，受貼片上開槽的影響，電流流經(jīng)的路徑變長，因此諧振頻率較低。圖6給出天線在4.3 GHz工作時(shí)貼片上的表面電流。由圖6可見，在C型槽兩側(cè)幾乎沒有反向電流，所以產(chǎn)生高頻諧振點(diǎn)。

圖5 3.9 GHz貼片邊緣電流

圖6 4.3 GHz時(shí)貼片邊緣上電流分布

3 天線結(jié)果測量與分析

天線實(shí)物如圖7所示，與普通微帶天線相比新型天線的貼片大小基本保持不變，貼片的邊長僅為0.45λ0 (λ0為中心頻率的工作波長)，和普通的微帶貼片天線相當(dāng)。

圖7 天線實(shí)物

圖8給出了仿真和實(shí)測曲線。在仿真和測試結(jié)果中，高諧振頻率和低諧振頻率吻合良好，仿真與實(shí)測結(jié)果非常吻合。實(shí)測結(jié)果中，S11<-10 dB的頻帶范圍為389～453 GHz，以4.2 GHz為中心頻率，其相對阻抗帶寬可達(dá)15.2%，具有良好的帶寬特性。

圖9給出了C型槽寬帶微帶天線在中心頻率4.2 GHz的方向圖，因?yàn)樘炀€C型槽開在天線兩邊緣部位，離中心點(diǎn)較遠(yuǎn)，所以對天線的方向圖基本沒有影響。從圖中可以看出，天線增益最大值在天線正上方，增益8.3 dB，副瓣最大值在-7 dB左右，與普通微帶天線方向圖基本一致。

圖8 S11仿真值與測量值的比較

圖9 天線E面、H面方向圖

4 結(jié) 語

提出了一種開雙C型槽的新型寬帶天線，通過C型槽增加電流路徑激勵(lì)處新的諧振點(diǎn)，并加入空氣層，減小天線Q值，從而展寬帶寬。該天線結(jié)構(gòu)有效地展寬了帶寬，與普通微帶天線相比，帶寬展寬3倍，但其他性能并沒因此受到影響。貼片的面積小，一般U型槽寬帶微帶天線結(jié)構(gòu)需要采用大的貼片，通常是普通微帶天線的1.5～2倍;該天線結(jié)構(gòu)的面積僅與普通微帶天線相當(dāng)，更能滿足對貼片橫向尺寸要求嚴(yán)格的情況，且厚度較低。此天線厚度僅為0.07λ0，與多層結(jié)構(gòu)相比，厚度得到有效降低，結(jié)構(gòu)比多層結(jié)構(gòu)更簡該單。參數(shù)對駐波曲線影響不太劇烈，與加載短路探針的寬帶微帶天線結(jié)構(gòu)相比，提出的天線設(shè)計(jì)和加工更為方便，帶內(nèi)增益比較穩(wěn)定。該天線結(jié)構(gòu)可作為共形陣單元，用于軍用通信。

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