一種新型全向微帶貼片天線的設(shè)計(jì)

劉 淼

（天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300350）

一種新型全向微帶貼片天線的設(shè)計(jì)

劉 淼

（天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300350）

提出了一種在無(wú)線通信系統(tǒng)中應(yīng)用的新型全向微帶貼片天線，該天線具有低剖面和易于饋電的特點(diǎn)。天線的工作帶寬為2 120～2 310 MHz，在中心頻點(diǎn)2 215 MHz處的相對(duì)帶寬為8.6％。天線向外輻射垂直極化波且在H平面獲得與單極子天線相似的全向輻射方向圖。天線在方向角平面上仿真的最大增益可達(dá)3.0 dB。在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用Ansoft HFSS對(duì)天線模型進(jìn)行仿真和優(yōu)化。

全向的；微帶貼片；單極子式；無(wú)線通信

0 引言

近幾年來(lái)，對(duì)于像單極子一樣具有線性極化各項(xiàng)均一的輻射方向圖特性的天線有著廣泛的需求。事實(shí)上，這種輻射方向圖非常適合應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)。具有新結(jié)構(gòu)和更新特性的單極子式輻射方向圖天線研究越來(lái)越引起人們的關(guān)注。比如說(shuō)電介質(zhì)諧振天線就憑借著諸多誘人的特性吸引了大批研究者在之前的文章中廣泛的探討［1，2］。

由于微帶貼片天線具有剖面低、制造成本低、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊并且易于與饋電網(wǎng)絡(luò)集成的優(yōu)勢(shì)。在過(guò)去的幾十年，微帶貼片天線廣泛地應(yīng)用在無(wú)線通信系統(tǒng)中，在無(wú)線通信中起著非常重要的作用［3］。目前應(yīng)用較多的全向天線有2種：一種是單極子、偶極子形式，或者類(lèi)似單極子形式［4，5］；另一種是采用面天線、圓片天線等［6，7］。這些天線有很多共同點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定等。

因此，本文重點(diǎn)研究那些與電單極子輻射方向圖非常相似的線性極化微帶貼片天線。

1 天線結(jié)構(gòu)

本文提出的可在無(wú)線通信系統(tǒng)中應(yīng)用的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

天線采用的是介電常數(shù)為2.2，厚度為1.52 mm的聚四氟乙烯介質(zhì)板。天線地平面的Y向?qū)挾葹?.3 mm。輻射矩形貼片由同軸連接器饋電，輻射貼片的長(zhǎng)為a1，寬為b1。貼片的尺寸對(duì)于天線的諧振頻率影響非常大，長(zhǎng)度a1是由式（1）得出：

式中，εe是有效介電常數(shù)，Δl是糾偏值，εe和Δl由式（2）和式（3）得出：

式中，b1為輻射貼片的寬度，通過(guò)以上公式的計(jì)算得出貼片的長(zhǎng)度a1為45.1mm，通過(guò)仿真調(diào)整數(shù)值。

天線的工作特性由4個(gè)重要參數(shù)a1、b1、di和k100決定。在實(shí)際仿真過(guò)程中，通過(guò)固定其余3個(gè)參數(shù)，調(diào)整第4個(gè)參數(shù)的方法去了解每個(gè)參數(shù)對(duì)天線性能的影響。

以分別a1、b1、di和k100為變量時(shí)，天線在諧振頻率的回波損耗如圖2、圖3、圖4和圖5所示。從圖中看出，天線長(zhǎng)度a1對(duì)于天線的諧振頻率有著明顯的影響。b1和di對(duì)于天線的阻抗匹配影響較小，反射系數(shù)隨著k100變化而變化。

圖2 變量為a1時(shí)的回波損耗

圖3 變量為b1時(shí)的回波損耗

圖4 變量為d1時(shí)的回波損耗

圖5 變量為k100時(shí)的回波損耗

2 結(jié)果分析

通過(guò)調(diào)整這4個(gè)幾何參數(shù)，得到了理想的頻率、好的阻抗匹配及輻射性能。所設(shè)計(jì)的微帶貼片天線具有低剖面、結(jié)構(gòu)緊湊并且易于與饋電網(wǎng)絡(luò)集成的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)過(guò)程使用Ansoft HFSS進(jìn)行仿真和優(yōu)化。

天線最終的幾何尺寸為a＝85 mm，b＝80 mm，k100＝1.1 mm，a1＝44 mm，b1＝53 mm，di＝7.3 m。天線采用的是介電常數(shù)為2.2的聚四氟乙烯介質(zhì)板，具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性。天線的－10 dB下阻抗帶寬在中心頻點(diǎn)2 200 MHz的百分比帶寬為8.6％，達(dá)到了190 MHz，如圖6所示。H平面獲得了一個(gè)很好的全向方向圖，最大增益為3.0 dB，如圖7所示。天線向外輻射垂直極化波且在H平面獲得與單極子天線相似的全向輻射方向圖。

圖6回波損耗仿真示意圖

圖7 H、E平面的輻射方向圖

（a）H平面（b）E平面

3 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種新型的貼片天線，該天線輻射的垂直極化波可以獲得與單極子天線相類(lèi)似的輻射方向圖。天線在－10 dB以下的輸入阻抗帶寬為190 MHz（8.6％），在方向角平面上獲得與單極子天線相似的全向輻射方向圖，同時(shí)最大增益可達(dá)3.0 dB。

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Design on a Novel Omnidirectional M icrostrip Patch Antenna

LIU Miao
（Tianjin Electronic Information College，Tianjin 300350，China）

A novel omnidirectionalmicrostrip patch antenna used in wireless communication system is proposed in this paper.The antenna has such characteristics as low profile and easy feeding.The operating bandwidth of antenna is 2120～2310MHz，and the relative bandwidth is 8.6％at the center frequency point of 2215MHz.The antenna radiates vertical polarization wave and has omnidirectional radiation pattern in H－plane，similar to thatofmonopole antenna.Themaximum gain of antenna is up to 3.0dB in azimuthal plane in the simulation.The antennamodel is simulated and optimized by using Ansoft HFSS in the design.

omnidirectional；microstrip patch；monopole like；wireless communication

TN82

A

1003－3114（2015）04－71－3

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.04.18

劉 淼.一種新型全向微帶貼片天線的設(shè)計(jì)［J］.無(wú)線電通信技術(shù)，2015，41（4）：71－73.

2015－03－11

劉淼（1983—），女，講師，主要研究方向：射頻通信電路、MIMO－OFDM系統(tǒng)同步技術(shù)等。