一種階梯型雙層微帶貼片天線的優化設計

朱赟恩， 楊明武

（合肥工業大學 電子科學與應用物理學院，安徽 合肥 230009）

近些年，隨著廣電市場的不斷發展和需求的不斷提高，廣電服務運營商逐漸改變了其原有的服務模式——從單一的有線電視信號的服務模式轉變為在多省市試點有線電視和寬帶上網的綜合服務。而在2010年1月13日，國務院總理溫家寶主持召開國務院常務會議，決定加快推進電信網、廣播電視網和互聯網三網融合。所謂“三網融合”是指電信網、廣播電視網和計算機通信網的相互滲透、互相兼容，并逐步整合成為全世界統一的信息通信網絡。“三網融合”是為了實現網絡資源的共享，避免低水平的重復建設，形成適應性廣、容易維護、費用低的高速寬帶的多媒體基礎平臺。因此，在未來幾年，為了促進國內三網融合方案的實施，必將出現基于無線載體的系統解決方案。而這種方案需要解決的關鍵問題是研制一種高帶寬天線，該天線不僅要滿足大容量數據傳輸的要求，并且還必須具備以下優點［1］以滿足“三網融合”的要求：小型化；成本低，適合大批量生產；有效增益高；匹配方便；組網方便，可進行陣列布局，滿足技術要求；性能穩定，抗干擾強，對外界干擾小。微帶天線不但滿足這些要求，而且在10MHz～50GHz范圍能被廣泛應用［2－3］。

目前，采用解決“三網融合”的方案主要為基帶EOC和調制EOC。基帶EOC主要是硬件壓縮與硬件解碼方案，具有穩定、高帶寬利用率、成本低等優點，但其帶寬較小，因而不利于傳播高清數字電視信號。調制EOC的優點是帶寬較大、布線簡單，而其缺點是成本較高、系統穩定性較差。

隨著家庭、辦公等所要求的網絡帶寬越來越寬，高清電視也逐漸成為主流，一種容量大的經濟型天線必將被市場所要求。目前正在普及的HDMI1.3已把帶寬提升到340MHz／10.2Gps［4］，再加之原有的網絡帶寬等需求，這就要求所設計的天線帶寬能夠達到500MHz以上，其頻點在2.4GHz左右。另外，無線組網方案能夠有效地解決用戶在傳統的EOC布線下的麻煩，易于移動，使用起來非常方便。

1 階梯型微帶貼片天線

具有等腰直角三角形單元的微帶貼片天線在無線以太網通信中比較常用。這種天線具有較好的增益和方向性，抗干擾能力強，接收靈敏度也較高，并且在個人數據通信業務中能在長時間內保持良好穩定的狀態。但是該天線的帶寬較窄，一般在50MHz左右，已經無法滿足大容量傳輸的要求。該天線為地面覆地加層面發射單元的模式，屬于常規微帶天線的范疇。本文通過更改基底和適當調解發射單元尺寸的方法來提高天線帶寬，通過大量合理的仿真分析，提出了一種T型的基底貼片結構，使該天線在2.4GHz頻段的帶寬達到了500MHz左右。

該微帶貼片天線的結構尺寸如圖1所示。上層為等腰直角三角形結構，斜邊由9個均勻的直角階梯構成，兩腰長L3＝27mm，饋線距離L1＝15.5mm，饋線長度L2＝13mm，饋線寬D1＝2.9mm，且階梯尺寸為D2＝3mm。基底是T型結構貼片，L10＝9.25mm，L4＝7.3mm，L8＝2mm，L5＝25.5mm，L9＝5.5mm，L6＝12mm，L7＝10mm。并且基底層的T型貼片的L4結構超出上層階梯型貼片右端距離為D3＝0.1mm，階梯狀等腰直角三角形貼片頂端超出基底層T型貼片頂端的距離為D4＝0.5mm，D5＝1mm。

圖1 天線結構尺寸

該天線實物是將厚0.03mm的銅覆刻在厚1.6mm，相對介電常數εr＝4.6的FR－4基板上制成的，天線實物如圖2所示。T型底端諧振臂長度為15.5mm，寬為3mm，材料為厚0.03mm的銅。該天線使用50Ω的同軸線饋電方式。

本文采用安捷倫公司的8722ET矢量網絡分析儀對實物天線進行測試。該網絡分析儀的掃描帶寬為50MHz～40GHz，50Ω輸入輸出阻抗。對該天線進行測試時，選擇掃描帶寬為1～5GHz；用CH1通道單獨測試S11參數；CH2通道關閉，并且儀器已校準。測試環境為室溫、非屏蔽、無近場信號源干擾、無近場金屬干擾。測試結果表明，該天線在S11為－12dB以下帶寬為550MHz左右。

圖2 制成的實物天線

2 優化設計

本文采用Yee氏網格方法進行建模，用時域有限差分法（FDTD）軟件對天線模型進行仿真［4－10］。在天線的饋電處理上，根據阻抗匹配定理［11］，選擇特性阻抗為50Ω的微帶線代替實際中50Ω的同軸線進行饋電。仿真后，得到該天線的S11曲線，并與用網絡分析儀測實物天線所得的結果進行比較，如圖3所示。由圖3可以看出，使用FDTD軟件對天線進行建模仿真所得到的結果與實測結果一致。由此，在建模時對原天線結構尺寸進行調節，分析各個尺寸的變化對天線帶寬以及中心頻率所產生的影響，并對帶寬和中心頻率的變化加以總結，進一步從建模仿真的角度達到對天線帶寬（S11值為－12dB以下帶寬）的優化。

圖3 FDTD軟件對天線建模仿真后的S11曲線與實測結果

首先研究T型結構中L8和L10尺寸對該天線的帶寬以及中心頻率所產生的影響。在原天線的L10與其他結構尺寸不變的情況下，分別對L8為1.0、1.5、2.0、2.5mm的 天 線 模 型 進 行 仿真，所得結果如圖4所示。由圖4可以看出，當其他尺寸不變時，隨著L8增大，天線中心頻點向下偏移，帶寬有所增加。

類似地，在原天線的L8＝2mm以及其他結構尺寸不變的情況下，分別對L10為8.25、9.25、10.25、11.25mm的天線模型仿真后所得結果如圖5所示。由圖5看出，隨著L10長度的增加，該天線的帶寬略微變大，而其中心頻率有向下偏移的趨勢。當L10＝11.25mm時，天線帶寬達到567MHz。

圖4 L8長度對天線S11的影響

圖5 L10長度對天線S11的影響

當D3＝0.3mm時，天線在S11為－12dB以下的帶寬能達到670MHz，但是其中心頻率向上偏移，且不能完全覆蓋2.4GHz頻段。

在原天線基礎上改變貼片階梯結構的尺寸D2和階梯的數目，對不同D2值進行建模仿真，結果見表1所列。適當增大階梯結構的D2尺寸，能使中心頻率向下偏移。

表1 對不同D2值的仿真結果

在通過研究分析該貼片天線的結構尺寸變化對天線帶寬以及中心頻率的影響后，總結了該天線性能隨著貼片結構尺寸變化的規律。在原天線基礎上，當L8＝1.5mm，L10＝11.25mm，階梯尺寸D2＝5.4mm，D3＝0.3mm時，所得天線通過建模仿真的結果如圖6所示。其帶寬能夠達到700MHz，并且完全覆蓋2.4GHz頻段。

圖6 改進天線的S11值

3 結束語

本文采用Yee氏網格的建模方法，使用FDTD軟件，通過改變一種階梯型雙層微帶貼片天線的結構尺寸，總結該天線帶寬與中心頻率變化的規律。從建模仿真理論的角度上優化了天線的帶寬，相對帶寬達到了27%，工作頻率覆蓋2.4GHz頻段的同時達到了700MHz的帶寬。

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