小型寬帶微帶天線的設計研究*

謝澤會，王玉琴，郝雙洋，趙紅梅

（1.鄭州輕工業學院電氣信息工程學院 鄭州450002;2.鄭州大學教育技術中心 鄭州 450001;3.中國聯合網絡通信有限公司河南分公司 鄭州450045）

1 引言

隨著無線通信技術的發展和電子產品應用的普及，對天線提出了更高的要求，主要體現在頻帶的范圍更廣，體積更小，便于安裝、架設和攜帶，同時具有較高的效率。然而，在較低頻段，傳統的半波天線尺寸仍然太大，帶寬仍然太窄（只有0.7%～7%），解決上述問題對于軍事或民用都有著重大的意義，小型化寬帶微帶天線的研究仍是一個熱點[1]。

微帶天線自20世紀70年代初期研制成功以來，以其體積小、重量輕、低剖面、易共形、制造簡單、成本低、易與微帶線路集成等一系列優點，越來越受到人們的重視，其發展更趨成熟化，得到了廣泛的應用[2,3]。參考文獻[4]設計了一種UHF頻段RFID閱讀器的小型化天線，體積為70 mm×50 mm×50 mm，由于諧振頻率為 915 MHz，體積不算太大，但S11<-10 dB時的阻抗帶寬只有30 MHz，S11為回波損耗，普通微帶天線的阻抗匹配帶寬最高只有10%，因此不能用于寬帶工作。微帶天線中的單極天線不僅具有以上特點，還能夠通過其結構及貼片形狀等特殊技術使其具有超寬帶的輻射特性，且能使體積變得更小，因此漸漸成為研究的焦點[5]。

[6]采用了傳統的單極天線結構，該天線具有大約30個倍頻程的阻抗帶寬和方向圖帶寬，但采用的接地板與輻射體垂直，大小為80 mm×80 mm，體積太大，不易于集成；參考文獻[7]仍采用單極天線模型，且將接地板和輻射體設計成共面結構，但輻射單元為矩形，天線的大小為 42 mm×39 mm。

本文設計了一款新型的寬帶小型平面天線，該天線將立體圓盤單極天線改為平面結構，中心諧振頻率為7.3 GHz，在3.2 GHz（S11<-10 dB）帶寬內很好地實現了阻抗匹配，且天線尺寸大小僅為17 mm×16 mm，結構簡單，加工方便，具有較大的實用價值。

2 單極天線的理論基礎

傳統單極天線由一塊金屬地板和垂直于金屬地板的輻射體金屬片組成。輻射體金屬片形狀有矩形、圓形、橢圓形、三角形等。由于其是三維結構，不能滿足系統集成化要求，因此有人提出將金屬輻射片和地板結構同時印刷在電路板上，稱之為平面單極天線，這樣天線的體積得到減小，同時還可以通過改變輻射體的形狀和接地板的結構來改變天線的輻射性能。

分析單極天線的輻射機理時一般采用近似等效法，下面以圓形單極子為例進行分析。理論上將半徑為R的圓片單極結構近似等效為高為l、半徑為a的短圓柱振子，等效模型如圖1所示。其下限頻率的確定方法如下。

圖1 圓柱體近似法等效

將圓面積等效為短圓柱振子的表面積，將圓片直徑2a等效為圓柱振子的高度 l，即 πR2=2πal，短圓柱振子的高度l與波長λ的對應關系為：l=0.24λF，其中考慮饋電間距g，則圓盤單極天線的最低諧振頻率為fL=；如果考慮介質材料的影響，則最低諧振頻率最合適的表達式為，式中k與的性質類似，εe為等效介電常數。

參考文獻[8]提出對于常用介電常數εr為4.4、厚度為1.6 mm的FR4介質，k的經驗值是1.15。若設計的天線的中心頻率為7.3GHz，饋電間隙為g=1 mm，則R近似為4 mm。

3 天線結構設計

圖2 天線結構

該小型寬帶平面單極天線的結構示意如圖2所示。該天線輻射單元采用0.2 mm銅板圓盤結構，銅板延伸出介質基片且與介質板平行，介質基片為相對介電常數為4.4、厚度為0.8 mm的FR4介質。增大介質材料的介電常數，有利于實現天線的小型化，但是介電常數過大，電場能量將會更多地集中在介質內部而難以輻射出去，導致帶寬減小，且高的介質常數往往伴有高的介質損耗，這會降低天線的效率。介質基片背部為薄銅板接地板。該天線采用微帶線進行饋電，饋線寬度為1 mm。

4 相關參數分析

該天線的回波損耗曲線如圖3所示。可以看出，由于介質的影響，R=4 mm時諧振頻率為8.3 GHz，諧振頻率偏高，且f和R成反向變化，通過分析 R分別取 4 mm、4.3 mm、4.6 mm、4.9 mm、5.2 mm 的情況，顯然 R=4.9 mm及5.2 mm時，中心諧振頻率最接近7.3 GHz，考慮到天線的小型化需求，取R=5 mm。此時在6.3～9.5 GHz頻率范圍S11<-10 dB，阻抗匹配帶寬接近3.2 GHz，遠遠大于500 MHz。

圖3 R變化時天線的回波損耗曲線

天線的Smith阻抗圓圖如圖4所示。從圖中可以看出，天線的輸入阻抗與50 Ω的微帶線實現了匹配，且在R變化的過程中，最小歸一化值基本沒變化。

天線在制作時，為了減小尺寸把輻射貼片延伸出介質，下面分析增大介質對天線的影響。設天線基板寬度從5 mm開始逐漸增大，寬度分別為 5 mm、7 mm、9 mm、11 mm時的回波損耗曲線如圖5所示。可見隨著寬度的增大，諧振頻率點逐漸增大，而且會引起高頻諧振點。

圖4 Smith阻抗圓圖

由圖 5可以看出，基板寬度分別為 5 mm、7 mm、9 mm、11 mm時，回撥曲線的參數和形狀變化不大，但天線增益稍有減小，這是因為基板變大使得有更多電流流入基板被基板吸收。從小型化角度考慮，應選擇較小的基板。

5 結束語

通過改變傳統單極子天線的結構，設計了一種中心頻率為7.3 GHz的平面天線，分析了相關參數對天線性能的影響，確定整個天線的尺寸為16 mm×17 mm×1 mm，符合小型化要求，同時阻抗匹配能達到3.2 GHz，實現了寬帶化，且天線結構簡單，FR4介質成本較低，加工方便，有著較好的實用前景。

圖5 基板寬度變化時天線的回波損耗曲線

參考文獻

1 阮成禮.超寬帶天線理論與技術.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社,2006

2 鮑爾,布哈蒂亞.微帶天線.北京：電子工業出版社,1984

3 薛睿峰,鐘順時.微帶天線小型化技術.電子技術,2003(3)

4 于東海,孫仁杰,曾瑞鋒.一種UHF頻段RFID閱讀器天線的小型化設計.信息與電子工程,2009,7(4)

5 馬小玲,丁丁.寬頻帶微帶天線技術及其應用.北京：人民郵電出版社,2006

6 宋朝暉,祁嘉然,邱景輝.圓盤單極超寬帶天線特性研究.哈爾濱工程大學學報,2007,28(1)

7 程勇,呂文俊,程崇虎.一種小型平面超寬帶天線的設計與研究.電波科學學報,2006,21(4)

8 Ray K P.Design aspects of printed monopole antennas for ultra-wideband applications.International Journal of Antennas and Propagation,2008,1(8)