一種高增益扇形微帶貼片天線的設計

張睿涵，盧俊

（長春理工大學 理學院，長春 130022）

一種高增益扇形微帶貼片天線的設計

張睿涵，盧俊

（長春理工大學 理學院，長春 130022）

貼片形狀是影響微帶貼片天線性能的主要因素，通過仿真設計了一種高增益扇形微帶貼片天線。扇形微帶貼片天線采用同軸饋電方式，通過有限元法對扇形微帶貼片天線在不同參數下的性能進行對比研究。仿真結果表明：扇形微帶貼片天線的諧振頻率、回波損耗等性能參數符合設計要求，天線的回波損耗小于-10dB。通過對比扇形微帶貼片天線在不同尺寸下得到的天線增益，可以得出結論扇形微帶貼片天線最高增益為9.17dB，比普通微帶貼片天線的增益高了約4dB。

扇形微帶貼片天線；高增益；回波損耗

微帶貼片天線的概念首先是由Deschamps于1953年提出來的，它是在一塊厚度遠小于工作波長的介質基板的一面敷以金屬輻射片、一面全部敷以金屬薄層作接地板而成［1］。輻射片可以根據不同的要求設計成各種形狀。微帶貼片天線由于具有質量輕、體積小、易于制造等優點［2］，現今已經廣泛應用于個人無線通信中。

微帶貼片天線的輻射機理是在貼片與地板之間激勵起高頻電磁場，并通過貼片邊沿與地板間的縫隙向空間輻射。輻射場是貼片邊沿與地板間的邊緣場產生的［3］。微帶貼片天線的饋電方式有微帶線側饋、同軸線底饋、電磁耦合、口徑耦合等［4］。微帶貼片天線已大量用于100MHz～100GHz的寬廣頻域上［5］，包括衛星通信、雷達、遙測遙控、生物醫學、便攜式無線電設備等［6］。

1 扇形微帶貼片天線的設計

本文設計的扇形微帶貼片天線是在圓形微帶貼片天線的基礎上改進而得到的，微帶貼片天線單元通過同軸探針從底部進行饋電［7］，貼片半徑為a= 9.3mm，參考地邊LD=32mm，介質基板邊長LS= 24mm，高度h=5mm，饋電點距離中心坐標的初始距離feed=2mm。扇形微帶貼片天線結構如圖1所示。

圖1 天線結構圖

2 扇形微帶貼片天線的仿真分析

（1）參數變化對回波損耗的影響

采用有限元法對所設計的天線進行仿真研究［8］，比較扇形尺寸變化時對回波損耗的影響。如圖2所示。

通過圖2（a）天線頻率的S11參數掃描曲線，可以看出扇形微帶貼片天線在不同頻率時的回波損耗［9］，圖2（a）中出現兩個最低點：當中心頻率 f0=12GHz時回波損耗為-13.98dB；當中心頻率 f0=17GHz時回波損耗為-18.37dB，由此可以得出結論：扇形微帶貼片天線工作的中心頻率 f0=17GHz時其回波損耗最小，回波損耗小于-10dB。根據圖2（b）可以觀察到當半徑a從3mm取到15mm時，與其對應的回波損耗；從圖中可以清晰的看出4號線當a=9.3mm時，天線的回波損耗最小，其最小值為S11=-18.37dB。根據圖2（c）中可以觀察到1號線當a=9.3mm，feed=2mm時，扇形微帶貼片天線的回波損耗最小。

（2）參數變化對天線增益的影響

扇形微帶貼片天線的三維增益方向圖［10］如圖3所示。

圖3 天線的三維增益方向圖

從圖3中可以看出，當半徑a從3mm增大到9.3mm時，天線增益在6.97dB～9.17dB之間逐漸增大；當半徑a從9.3mm增大到12mm時，天線增益在9.17dB～7.89dB之間，逐漸減小，所以尺寸的大小可以影響天線的增益。從圖上看可知，當a=9.3mm時，增益效果最好，增益最大值為9.1747dB。

3 結論

本文設計了一種新型微帶貼片天線，通過改變扇形結構參數達到提高增益的目的，經仿真證實，天線方向性較強，約有9.17dB的增益，在扇形微帶貼片天線工作頻率為17GHz時，其回波損耗為S11=-18.37dB＜-10dB。該微帶貼片天線性能良好，研究結果可為微帶貼片天線在無線通訊中提供參考和借鑒。

［1］鐘順時.微帶天線理論與技術（第2版）［M］.北京：電子工業出版社，2015：264-314.

［2］約翰·克勞斯著.（章文勛譯）.天線［M］.北京：電子工業出版社，2004：8-68.

［3］劉淼.一種新型全向微帶貼片天線的設計［J］.無線電通訊技術，2015，41（4）：71-73.

［4］丁毅，王光明，蘇文然.一種新型單層單貼片寬帶圓形微帶天線［J］.彈剪與制導學報，2007，27（5）：274-276.

［5］Phelan H R.Spiral phase reflectarray for multitarget radar［J］.Micro Wave Journal，1977，20（7）：67-73.

［6］陳健.單頻圓形微帶貼片天線設計［J］.現代電子技術，2015，38（1）：48-51.

［7]車仁信，廣旗一蘭，常宏銘.E型貼片微帶天線性能分析［J］.大連交通大學學報，2009，30（6）：96-97.

［8]張鈞，劉克誠，張賢峰，等.微帶天線理論與工程［M］.北京：國防工業出版社，1988：1-60.

［9]Pradeep Kummar，Jose Luis Masa–Campos.Dual po?larized microstrip patch antennas for ultra–wide–band applications［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2014，56（9）：2174-2178.

［10]王瑤瑤，陳桂波，盧俊，等.一種高增益多頻帶微帶貼片單元的設計［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2015，38（5）：123-126.

Design of a High Gain Fan-shaped Microstrip Patch Antenna

ZHANG Ruihan，LU Jun
（School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

A high gain fan-shaped microstrip patch antenn is designed by simulation with considering the main factor which the patch shape affect the performance of microstrip patch antenna.The coaxial feed way is adopted in fan-shaped microstrip patch an?tenna through the finite element method under different parameters in a fan-shaped microstrip patch antenna performance.The ex?perimental results show that the fan-shaped microstrip patch antenna，the resonant frequency return loss and other performance parameters all meet the design requirements and return loss is less than 10dB of antenna.By comparing the fan-shaped microstrip patch antenna under different size of antenna gain，it can be concluded that the maximum gain of the fan-shaped microstrip patch antenna is 9.17dB and taller than the conventional microstrip patch antenna gain about 4dB.

fan-shaped microstrip patch antenna；high gain；return loss

TN820.1

A

1672-9870（2017）02-0021-03

2016-12-12

張睿涵（1991-），女，碩士研究生，E-mail：178187851@qq.com

盧俊（1968-），男，博士，教授，E-mail：junlucc@126.com