一種新型超小型化天線

鄧 曦， 劉運(yùn)林， 史志瑋， 陳 鋒

（西南交通大學(xué) 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)研究所，四川 成都 610031）

0 引言

微帶天線具有重量輕、體積小、剖面薄、散射截面小等優(yōu)點(diǎn)，并且微帶天線在衛(wèi)星通信、導(dǎo)彈遙測(cè)、多普勒及其它雷達(dá)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。但是傳統(tǒng)微帶天線半波導(dǎo)波長(zhǎng)的諧振結(jié)構(gòu)限制了其應(yīng)用。為了減小天線的尺寸，一種常用的方法是采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基片。但是，這種減小天線尺寸的方法有很多缺點(diǎn)，例如由于表面波效應(yīng)影響，輻射效率低，高介電常數(shù)的介質(zhì)材料成本很高[2]。所以，其它一些文獻(xiàn)提出可以在天線中加載短路探針[3]以提高天線的性能。另外，文獻(xiàn)[4]提出在適當(dāng)?shù)奈恢谜{(diào)整天線的切口、空氣腔體和饋電貼片的長(zhǎng)寬可以調(diào)整天線的帶寬和駐波比。現(xiàn)借助數(shù)值方法計(jì)算和模擬軟件仿真，提出了一種新型的超小型化天線，天線的尺寸為16 mm×14.5 mm,天線在Z方向上具有很好的方向性。

1 天線結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的倒F螺旋型天線的工作頻率為f0=1 276 MHz,選取的接地板尺寸為10 mm×16.5 mm，天線通過(guò)50 Ω微帶線饋電。微帶線的長(zhǎng)度為3 mm,寬度為0.5 mm。微帶天線的輻射單元寬度為3 mm的金屬貼片。該金屬貼片圍繞接地板旋轉(zhuǎn)兩圈，形成一種新型的天線輻射模型。在接地板(3 mm, 5.1 mm,-3 mm)處插入一半徑為0.2 mm，相對(duì)磁導(dǎo)率為4 000的鐵制探針，探針連接底層輻射貼片與接地板。另外,在接地板(7.5 mm,1 mm,0 mm)處開(kāi)槽,L型槽寬度為0.5 mm,沿Y軸方向的長(zhǎng)度為12.5 mm，沿X軸方向的長(zhǎng)度為6.5 mm。天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

天線模型采用空氣介質(zhì)。天線接地板的尺寸為a=16.5 mm,b=10 mm。天線高度h1=h2=3 mm,微帶線的寬度L1=0.5 mm,長(zhǎng)度W1=3 mm。輻射貼片的寬度W2=W4=3 mm。兩平行輻射貼片之間的距離W3=3 mm。微帶貼片輻射壁距離接地板邊緣的距離X=Z=2 mm。短路針的半徑為0.2 mm，短路針和接地板間的距離Y=2.8 mm。L型槽距接地板下側(cè)的距離F=2 mm,L型槽的寬度L2=0.5 mm,沿長(zhǎng)方向的長(zhǎng)度c=13 mm,沿寬方向的長(zhǎng)度d=6.5 mm。末端輻射單元距接地板上側(cè)的距R=1 mm。

2 設(shè)計(jì)原理

具有特殊形狀的貼片天線，通常可以實(shí)現(xiàn)天線的小型化和寬頻帶。文獻(xiàn)[5]提出了一種倒置的“月牙”形天線模型，并采用微帶線對(duì)其饋電。通過(guò)數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，該天線模型有很好的性能。現(xiàn)首先提出了一種新型的倒 F螺旋型天線模型。通過(guò)數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該天線模型的最小駐波比(VSWR)為20.8，最大增益為-4.31 dB。該天線模型遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要。一些文獻(xiàn)[6-7]提出，插入短路探針可以進(jìn)一步縮小天線的尺寸，降低天線駐波比，增大天線帶寬，提高天線增益。文獻(xiàn)[2]提出了一種新型的小型化微帶天線的分析與設(shè)計(jì)，該文獻(xiàn)分析了一種插入短路針的新型圓形微帶天線。通過(guò)插入短路針，使天線在具有良好電特性的同時(shí)，減小了尺寸，并且增大了天線的阻抗帶寬,提高了輻射效率。受此啟發(fā)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和模擬軟件仿真，在(3 mm, 5.1 mm, -3 mm)處插入半徑為0.2 mm，相對(duì)磁導(dǎo)率為4 000的鐵制短路探針，使天線的最小駐波比從沒(méi)有探針時(shí)的20.8減小到插入探針后的1.16。但是，通過(guò)模擬軟件仿真天線發(fā)現(xiàn)，即使插入短路針后，天線的增益仍非常低，為-4.31 dB。目前，提高天線增益的方法有很多，文獻(xiàn)[4]中提到在接地板開(kāi)槽來(lái)提高天線的增益。本設(shè)計(jì)在接地板的適當(dāng)位置處開(kāi)寬度為 0.5 mm的L型槽，使天線的增益得到大幅度的提高，達(dá)到1.9192 dB。通過(guò)接地板開(kāi)槽，天線的增益提高了5.6倍。地板開(kāi)槽能提高天線增益的原因是因?yàn)榈匕宓牟巯蚝筝椛淠芰渴沟匕迮c槽之間儲(chǔ)存的能量降低從而降低了品質(zhì)因數(shù)[8]。天線的品質(zhì)因數(shù)。

當(dāng)在地板的適當(dāng)位置開(kāi)槽后，槽的輻射能量使地板與槽之間儲(chǔ)存的能量降低，天線總儲(chǔ)能降低。根據(jù)上述公式，天線的品質(zhì)因數(shù)因此降低。

3 結(jié)果分析

利用數(shù)值分析和軟件模擬仿真，設(shè)計(jì)出天線工作頻率為1 276 MHz的插有短路探針的超小型微帶天線。天線的接地板開(kāi)L型槽以增大天線增益，天線采用空氣介質(zhì)。對(duì)此天線模型用HFSS軟件進(jìn)行了模擬仿真。圖2所示為1.2～1.3 GHz范圍內(nèi)加載短路探針前后天線回波損耗對(duì)比圖。

通過(guò)對(duì)圖2的比較發(fā)現(xiàn)，在加載了短路探針后，天線的回波損耗顯著的下降。除此以外，天線回波損耗在圖2所示的1.2～1.3 GHz范圍內(nèi)，因?yàn)椴迦肓硕搪诽结樁@著下降。由此可見(jiàn)，在天線的適當(dāng)位置處加載短路探針，能減小天線回波損耗和天線尺寸。

圖3所示為插入短路探針后天線的回波損耗圖。其中，回波損耗小于-10(S11＜-10)時(shí)的帶寬為 9 MHz,天線工作頻率為1 276 MHz。

圖4所示為天線模型在XZ平面內(nèi)的增益比較。其中，實(shí)線表示在接地板上開(kāi)L型槽后天線的增益，虛線表示未開(kāi)L型槽時(shí)天線的增益。通過(guò)對(duì)虛線和實(shí)線的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在加入了L型槽后，天線在XZ平面內(nèi)的增益得到大幅度提高。在整個(gè)XZ平面內(nèi)都具有很好的輻射性。

同樣，圖5所示為天線模型在YZ平面內(nèi)的增益比較。其中實(shí)線表示開(kāi)槽后天線的增益，虛線表示未開(kāi)槽時(shí)天線的增益。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)接地板進(jìn)行L型開(kāi)槽，天線模型在YZ平面內(nèi)的增益也得到了大幅度提高。其中，天線在 0°和180°具有很好的輻射性。因此，天線模型在 YZ平面內(nèi)具有類偶極子輻射特性[9]。

4 結(jié)語(yǔ)

提出并分析了一種新型超小型微帶天線。通過(guò)模擬仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，在天線適當(dāng)位置處插入短路探針，降低了天線的駐波比。另外，在天線的接地板處加入一 L型槽，由于開(kāi)槽后地板與槽之間儲(chǔ)存的能量降低從而降低了天線的品質(zhì)因數(shù)，因此天線的增益得到大幅度提高。提出的新型超小型天線有很小的尺寸和比較滿意的增益，增益在XZ平面內(nèi)具有良好的全向性；在YZ平面內(nèi)具有類偶極子輻射特性。因此，該天線模型具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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[5] 施勝杰,郭輝萍.一種新型超寬帶平面單極天線的設(shè)計(jì)[J]. 通信技術(shù),2009,42(01):112-114.

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[8] 陳燕林,阮成禮.全向天線技術(shù)[EB/OL](2007-11-23)[2009-09-10].http://www.paper.edu.cn/index.php/default/releasepaper/con tent/16530.

[9] 賈登權(quán),史志緯.一種新型超寬帶微帶天線[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009(01):41-46.