一種小型化薄型微帶圓極化天線的設計

任晞

（中國電子科技集團第十研究所四川成都610036）

一種小型化薄型微帶圓極化天線的設計

任晞

（中國電子科技集團第十研究所四川成都610036）

文中設計了一種小型化薄型微帶圓極化天線。應用HFSS仿真軟件和理論計算公式分別對微帶天線諧振頻率與基片介電磁常數的關系進行了仿真分析和理論計算分析。結果表明，通過選取高介電磁常數，尤其是介磁常數μr＞1的介質基片可大幅度縮小微帶圓極化天線的尺寸。通過HFSS仿真軟件對微帶天線饋電點位置以及微帶貼片形式的優化設計，得到了一種駐波和軸比性能均較優的小型化薄型微帶圓極化天線，其面積尺寸僅為常規微帶圓極化天線的21%，而基片厚度僅為常規高介電常數微帶圓極化天線的67%。

微帶；圓極化；薄型；小型化；磁介電常數

微帶天線［1］與普通微波天線相比，具有剖面低、重量輕、體積小、易于共形以及便于獲得圓極化等優點，正日益受到人們的廣泛關注。但當微帶天線低頻段工作時，其面積較大，使其不能適應通信系統向小型化、集成化方向發展的要求，從而限制了微帶天線在便攜式移動通信系統中的應用。因此，如何實現微帶天線的小型化，已成為一個迫切的研究課題［2-3］。同時，為適應日益發展的廣泛應用與需求，圓極化微帶天線的設計技術同樣備受關注。

迄今為止，微帶天線小型化技術主要有：采用高介電常數基板、短路加載技術、開槽開縫技術、曲流技術等。通過在貼片上開C型縫隙，可使微帶天線諧振頻率明顯降低，天線尺寸僅為傳統天線的33%；采用銅箔將微帶天線的部分端口封閉，從而改變了空腔內的電場分布，并可使天線尺寸大幅縮小；此外，在貼片表面加載十字分形縫隙的結構，可有效降低天線的諧振頻率，達到減小天線尺寸的目的。

在圓極化技術方面，微帶天線不僅發展了多種多樣的圓極化技術，且產生了眾多有效的寬帶技術、多頻段工作方式、方向圖控制和介質覆蓋等技術。諸如這些技術的核心均是圍繞實現微帶天線圓極化的同時如何展寬天線帶寬、減小天線尺寸。其中不乏多種有效措施，如通過采用天線寄生單元、增加介質層厚度、減小介質相對介電常數、設計匹配網絡和設計不規則形狀貼片天線來展寬帶寬；通過選用高參數的介質基片和對貼片中開孔等方法可縮小天線尺寸；選用高參數的介質基片，可成倍的縮小天線的尺寸。

普通微帶圓極化天線的設計通常只考慮了基片介電常數的影響，即設計時只考慮了基片介磁常數μr=1的情況。如果為了縮小天線尺寸而基片介電常數選得過高，會引起天線帶寬過窄和饋電點位置過于敏感等問題，從而造成微帶圓極化天線小型化和寬帶設計的困難。

磁性材料［4］工業經過四十年的建設和發展，特別是改革開放以來，發展速度舉世矚目，令人振驚，現已基本上形成了自身的產業體系。目前我國的磁性材料工業在產量方面已初具規模，雖然仍以中低端產品占據較大市場，高端產品的與國外先進國家相比，仍存在質量不穩定的問題，但隨著磁性材料的發展，將磁性材料應用于天線小型化設計，是具有重要意義的。

由于磁性材料的介磁常數μr大于1，因此設計時必須考慮μr的影響。本文根據考慮了介磁常數影響后的微帶天線修正設計公式［5］，計算得到一種以磁性材料為介質基片的微帶圓極化天線。

通過對該天線貼片切角以及貼片中心加載圓環縫隙等方法，并利用HFSS高頻仿真軟件作參數優化分析，在保證駐波和軸比性能均較優的同時實現了天線的小型化和薄型化設計，其面積尺寸僅為常規微帶圓極化天線的21%，基片厚度僅為常規高介電常數微帶圓極化天線的67%。

1　理論分析

1.1理論計算

在給定介質基片特性參數（εe、μe）和天線諧振頻率時，即可進行微帶天線的設計。根據等效介磁常數μe的修正公式（1）～（3）算出μe。

其中

同時根據傳統的計算公式εe=1+q（εr-1）計算出等效介電常數εe，將其與μe的乘積εe×μe替代傳統公式中的εe。即傳統公式中的ΔL由原來的

變為

相應的微帶貼片的諧振長度b由原來的

變為

根據式（7）計算出天線尺寸后，再由實驗經驗公式（8）算出天線背饋的饋電點離貼片中心位置ρ0，并采用切角的形式以獲得右旋圓極化微帶天線。

1.2介質實際參數的確定

需要指出的是，在實際中，當選用帶磁性的高介電介質作基片，并根據上述方法進行微帶天線設計時，會發現天線在實測時會因其介質參數的不穩定而出現天線諧振頻率偏移的現象，有的甚至偏離諧振頻率幾百兆，勢必增加實際工程應用中調試難度。

因此，在采用高介電介質尤其是磁性材料設計時應了解介質的實際特性參數。如采用傳輸線測量，由于相位精度的影響同樣會造成所測參數的不準確性。根據HAROLD A.WHEELER提出的在介質中平行帶狀傳輸線特性，文中可根據設計出的微帶天線在實測的諧振頻率推算出介質的實際特性參數。

由事先給定的天線諧振頻率、介質基片特性參數可根據1.1節的設計方法計算所設計的微帶天線的尺寸，并將該尺寸的微帶天線進行實際測試，如實際測得的微帶天線諧振頻率偏移量較大，則可根據相關文獻［1］中的設計公式反推出天線介質基片的實際特性參數，再根據1.1節的方法重新設計微帶天線。

2　仿真分析

分別選用常用介質（εr=2.17、μr=1）、高介電常數介質（εr= 9.8、μr=1）以及介磁常數μr＞1的高介電常數介質（εr=7.6、μr= 1.29）作微帶天線基片，按照公式（7）和（8）分別計算出3種介質基片對應的貼片尺寸，其中常規介質基片的貼片尺寸為38.6×38.6 mm2，高介電常數介質基片的貼片尺寸為17.7×17.7 mm2，介磁常數μr＞1的高介電常數介質基片的貼片尺寸均為17.6×17.6 mm2，3種基片的厚度分別為1.5 mm、3 mm、2 mm。

為了實現圓極化，文中所設計的微帶天線采用單點饋電，并引入微擾“簡并分離元”△S，即如圖1所示，通過對微帶貼片對角線上切角的方式。利用HFSS高頻仿真軟件參數優化法分別對3種微帶天線的饋電位置和切角尺寸△S進行優化仿真，以獲得良好的電特性。

根據相關文獻［6］，通過對微帶貼片中心開矩形縫隙和十字形縫隙的方法，可展寬圓極化微帶天線帶寬特性。

本文設計中，為了優化天線性能，對介磁常數μr＞1的高介電常數介質基片微帶天線采用了貼片中心加載圓環縫隙的設計。3種天線的HFSS仿真模型如圖1所示。

圖13　種微帶圓極化天線仿真模型

通過HFSS仿真，3種微帶圓極化天線的駐波仿真曲線如圖2?？梢钥吹剑榇懦郸蘲＞1的高介電常數（εr=7.6、μr= 1.29）微帶圓極化天線，駐波特性明顯優于常規圓極化微帶天線。

圖23　種微帶天線的駐波仿真曲線

圖3　介磁常數μr＞1的高介電常數微帶圓極化天線軸比及增益方向圖特性

3種微帶天線的駐波仿真分析結果可看到，設計微帶圓極化天線時，若僅在選取高介電常數的介質基片來縮小微帶貼片尺寸的情況下，為了獲得較好的帶寬特性，通常會選取較厚的介質基片，這在導致天線方向圖增益損失也較大的同時，還限制了天線在一些空間尺寸嚴格受限的平臺環境中的應用。

文中所設計的介磁常數μr＞1的高介電常數（εr=7.6、μr= 1.29）微帶圓極化天線整體性能較好，通過HFSS仿真優化分析可得，天線駐波帶寬（≤3）和圓極化增益方向圖帶寬（＞0 dB）均可展寬到200 MHz。同時該天線的3 dB軸比帶寬可達到近240 MHz。

經過優化設計后的介磁常數μr＞1的高介電常數（εr=7.6、μr=1.29）微帶圓極化天線的貼片尺寸僅為17.6×17.6 mm2，較常規微帶圓極化天線縮小了79%；通過貼片中心加載圓環縫隙的方法，在無需過厚增加基片厚度的情況下，即基片厚度僅為常規高介電常數微帶圓極化天線的67%時，便可獲得較好的電特性。

3　結束語

文中選用磁性材料作為微帶圓極化天線的介質基片，通過貼片切角以及貼片中心加載圓環縫隙等方法，以及利用HFSS［9-10］高頻仿真軟件對貼片饋電點位置、切角尺寸以及貼片形式的優化分析，得到了一種駐波和軸比性能均較優的小型化薄型微帶圓極化天線，為實現微帶圓極化天線的小型化提供了一種有效可行的方法。

文中所設計的天線在縮小貼片面積尺寸的同時，不必過厚增加介質基片的厚度以展寬天線帶寬，這對于一些嚴格要求天線安裝空間尺寸的平臺環境，具有明顯的空間尺寸優勢。

但需要指出的是，根據國內相關資料表明，磁性材料因其參數具有不穩定的缺點，在實際工程應用中，天線設計可能需要按照1.2節所描述的方法進行重復設計，勢必會造成磁性介質在微帶圓極化天線設計中應用的局限性。伴隨今后磁性材料技術日趨成熟，此設計技術將有較大的發展空間。

［1］鐘順時.微帶天線理論與應用［M］.1版.西安:西安電子科技大學出版社，1991.

［2］侯維娜，邵建興，劉湘梅.一種新型小型化微帶天線的分析與設計［J］.通信技術，2009，42（12）:22-23.

［3］韓日霞，熊君瑞，岳滿枝.寬頻化與小型化微帶天線的研究與設計［J］.電子科技，2013，26（1）:66-68.

［4］陳國華.中國磁性材料工業回顧和發展前景［J］.通用元器件，1998，48（5）:38-40.

［5］Jame J R.Microstrip antenna theory and design［C］//The Institute of Electrical Engineers.London and New York，1981:67-87.

［6］溫剛.新型寬頻帶圓極化天線［J］.電訊技術，2010，50（8）: 143-146.

［7］文耀彤，劉能武，張志亞.寬帶高增益圓極化天線［J］.電子科技，2014，27（5）:56-58.

［8］王瑞濤，趙宇寧，丁君，等.一種新型寬帶圓極化天線的分析與設計［J］.電子設計工程，2014（19）:47-50.

［9］陳鵬，曹沐昀.微帶線不連續性補償方法仿真研究［J］.電子科技，2013（3）：119-121.

［10］趙一飛，楊陽，楊洪亮，等.基于HFSS的小型圓極化GPS微帶天線設計與仿真［J］.電子科技，2014（3）：91-94.

Design of a size-reduced laminar circular polarized microstrip antenna

REN Xi
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Asize-reducedlaminar circular polarizedmicrostripantenna has been introduced in this article.The relationship between the resonant frequency of a microstrip antenna and the parameter ofthe substrate has been analysed through the emulating of HFSS software and investigations of the theoretical formulary in this paper.The result shows that the size of the microstrip antenna will be hardly reduced with the increase of the parameter of the substrate，especially when μr＞1.A sizereducedlaminar circular polarizedmicrostripantenna has been realized which show good performance in VSWR and AR by optimality analyzing the chargingposition and the patchshape.The areas size of this antenna is only 21%of thetraditional circular polarizedmicrostripantenna，and the height size of this antenna is only 67%of the traditional circular polarizedmicrostripantenna which has high εr。

microstrip；circular-polarization；lamina；size-reduction；electromagnetic-parameter

TN99

A

1674－6236（2016）17-0104-03

2015-08-10稿件編號：201508039

任晞（1976—），女，四川成都人，碩士，工程師。研究方向：電磁場與微波。