一種小型寬帶全向天線

邢海龍

（山東科技大學 山東 青島 266000）

1 引言

全向天線的輻射表現為無方向性，在水平方向圖中顯示為360°均勻輻射，一般應用與多對點通信或者大范圍覆蓋中。早期的全向天線雖然滿足無方向性輻射的要求，但是帶寬很窄，在寬頻帶的應用受到了極大的限制[1]，而寬帶天線有具有很多窄帶天線所不具有的優點，比如高的傳輸速率、高的頻帶利用率、更大的系統容量和更好的隱蔽性等。所以如何拓寬全向天線的帶寬逐漸成為重要的研究方向。

如今常見的拓寬微帶貼片天線帶寬的方法有：用介電常數較小或者損耗角正切值較大的基板；加厚空氣介質或介質基板；改變介質基板的形狀；使用電阻加載等[2]。而常用的天線小型化的技術主要有：短路加載技術；適當增加介質基板的介電常數；附加有源網絡；改變輻射貼片的形狀，采用特殊形式等。但是在實際應用當中，很多天線在改進后結構十分復雜，技術實現難度很大，而且會新增很多問題，比如加載電阻以后會增大天線的損耗，減少抗震能力[3]；加厚介質基板會增大天線體積，不利于小型化天線的應用。

筆者提出一種小型化的、結構簡單的寬帶全向天線，通過改變接地面和貼片的結構來得到具有良好阻抗匹配和駐波比帶寬的全向天線。

2 天線結構

本文提出的寬帶全向天線的幾何結構如圖1所示。該設計包括輻射體、接地面、介質基板和微帶傳輸線。該天線采用ANSYS HFSS軟件設計而成，制作在FR-4基板上，基板的介電常數εr=4.4，損耗角正切δ=0.02，厚度為1.6mm。天線的整體尺寸為45×45×1.63mm，輻射貼片和接地平面分別位于頂部和底部。輻射貼片和接地面均是由銅材料制成，其厚度均為0.035mm，電導率δ=5.8×107S/m，為了實現50Ω輸入阻抗匹配，我們對微帶傳輸線的位置和寬度w已經進行了優化。輻射貼片采用階梯三角形結構，對天線的帶寬和回波損耗（RL）性能的影響很大。在這個天線設計中最重要的部分是引入去角接地方案，在輻射貼片或地面上的槽切割技術被用來在高頻率下擴展頻率以增加帶寬?？偟膩碚f，提出的階梯狀輻射結構和去角接地結構有助于提高天線的阻抗匹配性能和展寬天線的帶寬。

圖1 天線結構

3 天線優化

在本節中，我們使用HFSS軟件對提出天線進行了優化和仿真，通過改變天線各個參數來達到本文需要的阻抗匹配、S參數、增益和輻射模式。

3.1 阻抗匹配

通過對天線饋線位置和饋線寬度w的多次仿真優化，最后基本實現50Ω輸入阻抗匹配。我們通過改變饋線寬度w的值來尋找諧振頻率和中心頻率基本相同時的最優w值，我們發現，隨著饋線寬帶w的逐漸減小，天線的諧振頻率不斷增大，在w=0.7mm時，天線的諧振頻率達到中心頻率5.27GHz，此時的阻抗值如圖2所示。

圖2 阻抗值

可以看到通過優化后的天線具有較好的阻抗匹配性能，在測試中心頻率5.27GHz時的輸入阻抗達到(50.41+j0.02)Ω，天線基本達到了完全匹配。

3.2 S參數

通過改變T、L、R1、R2的值，并經過多次的仿真和優化，得到的最優值如表1所示。優化后的天線經過仿真得到的S參數如圖3所示。

表1 天線參數

圖3 S參數

由圖可以看出，所提出天線的測量阻抗帶寬在反射系數小于-10dB的范圍內，從4.75GHz到5.8GHz，帶寬達到1.05GHz，在中心頻率為5.27GHz時，其相對帶寬達到20%。

4 仿真結果分析

通過上一節的優化設計后，天線的最優模型基本確定，天線達到了良好的阻抗匹配和寬帶性能，在中心頻率5.27GHz處的VSWR值接近于1，在中心頻率處的相對帶寬也達到了寬帶要求。通過仿真我們可以得到天線的輻射方向圖和三維輻射方向圖，分別如圖4和圖5所示。

圖4 輻射方向圖

圖5 三維輻射方向圖

由輻射方向圖可以看出，天線滿足全向輻射要求，其最大增益為1.56dB，由三維輻射方向圖可以得到其輻射效率達到96%。

5 結語

本文提出了一種小型寬帶全向天線。通過改進的接地平面和輻射貼片獲得了良好的阻抗匹配性能，且在反射系數小于-10dB范圍內，天線的帶寬范圍從4.75GHz到5.8GHz達到了1.05GHz，相對帶寬達到20%。天線滿足全向輻射要求，最大增益為1.56dB，輻射效率達到96%。本文設計的天線滿足寬帶全向的性能要求，對現代通信中寬帶全向天線的設計有一定的意義。

[1] Herscovici N，Sipus Z，Kildal P S，The Cylinderiacal Omnidirectional Patch Anrenna [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2001，49(12):1746-1753.

[2] Wu C K，Wong K L.Broadband Microstirp Antenna with Directly Coupled and Gap-coupled Parasitic Patches[J].Microwave and Optical Technology Letters，1999，22(5):348-349.

[3]張運啟，王亮，等.一種新型寬頻帶全向天線的設計[S].《西安電子科技大學學報(自然科學版)》，2014，41(4)：47-50.