一種寬頻帶高增益高極化隔離度的微帶天線

摘 要： 設計了一種具有高增益、高極化隔離特性的寬頻帶層疊型E形天線。通過激勵E形輻射體，獲得雙峰諧振回路，并在E形天線上方附加寄生元，構成了三峰諧振特性，從而取得較傳統E形天線更寬的頻帶；通過E形天線在低端激勵的雙電流路徑保證了天線在頻率低端的高增益特性，而天線本身的輻射體尺寸保證了頻率高端的高增益特性。采用Ansoft HFSS電磁仿真軟件對提出的天線模型仿進行優化，依次在1.75 GHz，2.1 GHz，2.475 GHz形成了三個諧振峰值；在1.7～2.54 GHz內駐波比≤1.5，其相對帶寬達40%，在1.7～2.5 GHz頻帶內增益>8 dBi，且具有低達-55 dB的優異交叉極化特性。

關鍵詞： 寬頻帶； 高增益； 高極化隔離度； E形天線

中圖分類號： TN822?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）13?0094?03

Broadband microstrip antenna with high gain and high cross?polarized isolation

YE Jian?feng1 ， WANG Yu?feng2 ， CHEN Li?ming3

（1. Department of Electronic Communication Technology， Shenzhen Institute of Information Technology， Shenzhen 518172， China；

2. No.36 Research Institute of CETC， Jiaxing 314033， China； 3. Beijing Institute of Remote Sensing Equipment， Beijing 100039， China）

Abstract： A broadband E?shaped stacked antenna is presented with high gain and high cross?polarized isolation. Three?peak resonant circuit is generated by adding a rectangular element above the E?shaped antenna with dual?peek resonant tank for impedance bandwidth improving. Dual currents at the low frequency band ensure its high gain characteristic， while the size of radiator of antenna present a sufficient aperture for the gain at high frequency band. Simulation and optimization of the antenna characteristics is carried out by Ansoft HFSS. Results show that three resonant frequencies are generated in the proposed antenna at 1.75 GHz， 2.1 GHz， 2.475 GHz，respectively. The antenna achieves a 40% impedance bandwidth of VSWR≤1.5 operating at 1.7～2.54 GHz. At the frequency band of 1.7～2.5 GHz，gain of >8 dBi and cross?polarized isolation<-55 dB are obtained for mobile communication antenna.

Keywords： broadband； high gain； high cross?polarized isolation； E?shaped antenna

0 引 言

微帶天線以其成本低、重量輕、剖面低、易于共形等諸多優點，被廣泛應用于各種通信系統；然而，微帶天線帶寬很窄，很難應用于寬帶通信系統，制約了其進一步的發展。為此，研究人員提出很多方法來拓寬微帶天線的帶寬。其中最具代表的是附加寄生貼片和表面開槽的方法。文獻[1?2]采用在主輻射貼片上方附加一層寄生元，以形成雙諧振特性，從而拓展天線的帶寬（層疊方式）；文獻[3]在矩形微帶貼片表面開U形槽，以引起電流繞流的縫隙耦合，實現雙峰諧振，拓寬天線帶寬（開槽方式）；文獻[4?7]將開U形槽的貼片發展為E形貼片，獲得了超過30%的帶寬，文獻[7]中帶寬甚至達到了33.8%；文獻[8]提出了一種在E形貼片上方附加寄生元，將E形貼片天線帶寬進一步擴展到了38.41%。然而文獻[8]采用貼片-空氣層-底板結構，其寄生單元、E形貼片和底板之間僅通過小木塊來支撐，實用性差；同時，木塊支撐結構不能保持空氣層厚度的均勻，可能引起對天線帶寬的影響。

本文設計了一種印刷結構的層疊型E形微帶天線。采用探針直接饋電方式對E形貼片進行饋電，通過E形貼片自身形成雙峰諧振特性；通過底層E形貼片與寄生的矩形貼片的耦合來激勵寄生貼片，形成了具有寬頻特性的三峰諧振回路。本文天線工作于1.7～2.54 GHz頻段，獲得了寬達40%的阻抗帶寬（VSWR<1.5），且增益>8 dBi，交叉極化隔離度<-55 dB。該天線采用印刷形式方便了結構的設計，較好地保持了空氣層厚度的均勻性，保證了天線的最佳寬帶特性，具有較強的實用性。

1 天線設計

1.1 天線結構

本文天線結構如圖1所示。

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圖1 天線結構圖

該天線主要由金屬底板、E形輻射貼片和寄生輻射元組成，兩層輻射元均印制在120 mm×100 mm、厚度為1 mm的FR4（介電常數4.4，損耗正切0.02）介質板上。底板與下層印制板之間、下層與上層印制板之間分別用厚度為[h1]和[h2]的空氣層隔開，并在四周用加工的FR4材料結構件很好地支撐。天線通過探針對下層的E形貼片饋電，E形貼片通過耦合作用激勵上層的寄生元。E形貼片長為[L]，寬為[W]，貼片上兩條間距為[Ps]的對稱窄縫長度為[Ls]，寬度為[Ws]，中間凹陷深度為[s]；寄生貼片長度為[Lp，]寬度為[Wp。]

1.2 參數設計

該天線的參數設計過程按照從下到上的順序進行。先設計位于下層的E形貼片，之后設計附加的寄生貼片。寄生單元尺寸的設計可按照普通矩形貼片的設計方法，寄生單元印制在FR4介質上，與主輻射貼片之間用空氣層隔開。為簡單起見，使[Wp=Lp，]其大致尺寸可用下式計算：

[Wp=Lp=c2frεr+12-12]

式中：c是光速；[fr]為諧振頻率；[εr]是介質的介電常數。

針對1.7～2.5 GHz的頻帶范圍，對本文提出的層疊型寬帶E形微帶天線進行仿真設計和優化，得到最終的天線尺寸：[W]=51.8 mm，[L]=79.6 mm，[Ws]=4.5 mm，[Ls=]40.9 mm，[Ps]=16.2 mm，[s]=7 mm，[h1=h2=]10.5 mm，[Wp=Lp=]37.4 mm。

2 仿真結果及分析

圖2給出了采用Ansoft HFSS電磁仿真軟件優化后天線駐波比曲線。

本文天線在1.7～ 2.54 GHz寬達40%的相對帶寬內獲得了小于1.5的駐波比。傳統E形貼片天線采用完全空氣層的辦法來最大限度地拓寬帶寬，最好的結果為文獻[7]中的33.8%，而本文采用層疊型的E形微帶天線進一步拓寬了E形微帶天線的頻帶寬度。從圖2給出的駐波比曲線可以很明顯地看到三個諧振頻點，分別在1.75 GHz，2.1 GHz，2.475 GHz，且三個頻點依次臨近，形成了典型的三峰諧振特性，從而獲得了寬頻帶特性。

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圖2 層疊型E形天線駐波比曲線

圖3（a）～圖3（c）分別給出了1.7 GHz，2.1 GHz，2.5 GHz三個諧振頻率處的矢量電流分布圖。

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圖3 三峰諧振狀態的電流分布

由圖3可知，1.7 GHz時，電流沿著E形貼片的上下兩個縫隙邊呈U字形流動，電流路徑最長；2.1 GHz時，電流主要集中在E形貼片的中間矩形部分；2.5 GHz時，層疊的寄生貼片上通過底層E形貼片的耦合形成了平行于E形縫隙的電流分布。天線的增益曲線圖如圖4所示。

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圖4 天線的增益曲線

由圖4可知，天線在1.7～2.5 GHz頻帶范圍內的增益均大于8 dBi，且90%以上的頻點增益在8.5 dBi以上。對提出天線在帶寬內的交叉極化情況進行仿真分析，如圖5所示，1.7～2.5 GHz頻帶范圍內交叉極化隔離度小于-55 dB，交叉極化電平較低，具有較好的極化純度。

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圖5 天線的交叉極化曲線

圖6給出了天線在1.7～2.5 GHz的H面和E面方向圖的波束寬度曲線。

圖7給出了本文天線在1.7 GHz，2.1 GHz，2.5 GHz的H面和E面的方向圖，其中實線為H面、虛線為E面。

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圖6 天線E面和H面方向圖波束寬度曲線

由圖6可知，天線在1.7～2.5 GHz頻段內H面波束寬度均要寬于E面波束寬度，且隨著頻率的升高，H面與E面波束寬度的差距越大，特別在2.4 GHz以后，H面波束寬度增加速度更快；在1.7～2.5 GHz頻帶范圍內，天線的H面波束寬度均大于67°，E面波束寬度均大于58°。

3 結 論

本文采用層疊型E形天線方式設計了一種工作于1.7～2.5 GHz的微帶天線，該天線具有寬頻帶、高增益、高極化隔離度特性。通過合理的設計，實現了在1.7～2.54 GHz頻段內駐波比<1.5，覆蓋了1.7～2.5 GHz的移動通信和無線通信頻段；在1.7～2.5 GHz頻段內，天線獲得了大于8 dBi的高增益特性和小于-55 dB的低交叉極化隔離度。本文設計的天線還具有結構簡單、易加工、實用性強等特點，可應用于移動通信和無線通信系統。

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