不對稱U 形微帶縫隙天線設計

申雪雪， 孫緒保， 邱厚童， 劉 華

（山東科技大學 電子學院通信系，山東 青島266590）

0 引言

WIMAX 作為一項寬帶無線接入技術（BWA），能夠提供面向互聯網的高速連接，可與電腦、手機等終端結合應用于城市安全、物流、交通等場合。隨著該技術的廣泛應用，其所在的3.5GHz頻段天線也成了通信行業關注的熱點。文獻［1］在該頻段分別采用在杯形貼片中央加載倒U 形槽以及加載交叉橢圓環的方式，得到了較高的增益（平均增益4.77dB），實現了對干擾信號的有效抑制；文獻［2］在該頻段通過加載SRR環，獲得了較好的帶阻特性；文獻［3］在該頻段通過合理的使用階梯阻抗饋線，制作了一副串饋微帶縫隙天線陣，實現了95°～130°的平方余割賦形波束設計，上半空間副瓣電平抑制到-19dB 以下［3］。

本文設計了一種可工作于該頻段的微帶縫隙天線。通過在地板上開不對稱U 形槽來產生阻帶效果［1］，縫隙截斷表面電流，改變其分布，使電流路徑變彎曲，增加了電流的有效路徑以及對電磁場的引導能力，減小了天線尺寸，達到小型化的目的。并采用微帶線饋電結構，在50Ω 微帶線上添加不對稱的U 形開路枝節，使電磁場可以無限延伸，擴展了帶寬，便于匹配。

1 天線結構

天線結構如圖1所示，其主體由接地板上刻蝕的不對稱U 形縫隙和位于介質基片背面的饋電微帶線組成。主臂是特性阻抗為50Ω 的微帶線，側臂是與縫隙同中心的不對稱U 形開路微帶線。介質基板厚度1.5 mm，采用介電常數為2.2的RT5880材料，尺寸為80mm×90mm。

圖1 天線結構圖

微帶縫隙天線是在金屬體表面開縫，縫隙截斷了表面電流，使電流路徑變長，從而達到小型化的目的?？p隙長度L 與天線介質的介電常數εr取值有關，縫長L 的近似值為

式中：λg為等效電磁波波長。

式中：λ0為自由空間的波長；εe為等效介電常數，其中λ0、εe可由式（3）、式（4）表示：

式中：c為自由空間的光速；f 為天線的諧振頻率；h為介質層的厚度；W 為輻射貼片的寬度。

本文中天線的微帶饋線與50Ω 傳輸線匹配，其饋線輸入部分的寬度W3可由式（5）計算得出［5］。

其中：A、B分別為

天線結構如圖1所示，其中W1為U 形饋線的寬度，W2為U 形槽輻射縫隙的寬度，W3為饋線輸入部分的寬度，L4、L5分別為位于左右兩側窄縫的長度，縫隙中心與微帶線中心重合。

調節接地板上兩側窄縫長度L4、L5，構成不對稱U 形結構。這種不對稱U 形槽的設計，實現了天線的小型化。在接地板尺寸相同的情況下，U 形縫隙相比矩形窄縫極大地增加了實際耦合面積，進而增大了天線輻射的電磁耦合量，展寬了天線的阻抗帶寬，且該不對稱U 形縫隙設計相對于同等長寬的U 形縫隙，各方面性能有所提升。

2 天線仿真與結果分析

在天線的設計過程中，采用了基于有限元法的高頻仿真軟件HFSS 對天線的各個主要參數進行仿真。

參數L4、L5對天線輻射特性的影響分別如圖2、圖3所示。

圖2 天線反射系數隨參數L4 變化

由圖2可知，參數L4的大小對中心頻率的影響較大。

圖3 天線反射系數隨參數L5 變化

由圖3可知，參數L5的變化，對S11的影響較大。隨著L5的變大，S11增大明顯。通過仿真分析，得出在L4＝20mm，L5＝16.4mm 時，天線仿真的結果較為理想，阻抗匹配達到最佳狀態。

經過對貼片尺寸參數的調節及優化調整，得到天線的基本參數：W0＝80 mm，W1＝2.2mm，W2＝9.8 mm，W3＝4.7 mm，W4＝42.7 mm，W5＝45.1mm，L0＝90mm，L1＝21.6mm，L2＝15.3 mm，L3＝10.8 mm，L4＝20 mm，L5＝16.4mm，L6＝14.8mm。

天線的反射系數曲線如圖4所示，在中心頻率3.50GHz處，天線的S11值達到-41dB。在所需頻段內，天線回波損耗均低于-10dB。有效帶寬為950 MHz（3.08GHz～4.03GHz），帶寬較理想，符合設計要求。

圖4 天線的反射系數

圖5給出了天線軸比值隨頻率的變化曲線。由圖5可知，在3.5GHz附近處軸比均在3dB以下。

圖5 天線的軸比

圖6、圖7為在諧振頻率上測得的Ψ＝0°面和Ψ＝90°面的方向圖，圖中增益為dB。

圖6 Ψ＝0°，f＝3.5GHz時的方向圖

圖7 Ψ＝90°，f＝3.5GHz時的方向圖

由圖可知，在3.5GHz時，獲得了較好的方向性和增益，滿足使用要求。

3 小結

設計了一種新型微帶縫隙天線，并利用仿真軟件HFSS 對天線進行了仿真分析。在接地板上開槽，有效的減小了天線的面積。最終結果顯示，天線在3.5GHz頻段得到了很好的匹配。另外，天線體積較小，容易集成加工，適用于手機、電腦等終端。

［1］ 蔡得水.微帶縫隙天線的研究與設計［D］.西安：西安電子科技大學，2012.

［2］ 陳長富.Ku波段高增益微帶陣列天線研究與設計［D］.吉林：吉林大學，2013.

［3］ 馬漢清.寬帶與多頻天線關鍵問題的研究［D］.西安：西安電子科技大學，2009.

［4］ 郎為民，焦巧，蔡理金，等.WIMAX 應用與發展［J］.電信快報，2009，（6）：15-18.

［5］ 章堅武，王錦璇，葉霓.工作于2.4 GHz／5.2GHz雙頻段微帶縫隙天線的設計［J］.電視技術，2011，35（11）：43-46.

［6］ 張俊文，鐘順時.V 形微帶縫隙天線［J］.微波學報，2007，23（2）：44-46.

［7］ W，S，Chen，C，K，Wu，K，L，Wong.Novel Compact Circularly Polarized Square Microstrip Antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2001，49（3）：340-342.

［8］ 薛睿峰，鐘順時.微帶天線圓極化技術概述與進展［J］.電波科學學報，2002，17（4）：331-336.

［9］ 孫緒保.微波技術與天線［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［10］ 鐘順時.微帶天線理論與應用［M］.西安：西安電子科技大學出版社，1991.