一種新型寬頻雙頻段微帶天線設計與仿真

張鵬 丑修建 王二偉 劉立

摘 要： 提出一種新型的寬頻微帶天線，將天線結構印制于玻璃纖維環氧樹脂基板上，借助電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13.0進行仿真，該天線包含2.7～5.39 GHz，6.39～10.5 GHz兩個寬頻段，相對帶寬分別為67%和49%，低頻段可應用于WLAN，高頻段可以應用于X波段的通信。給出了反射系數[S11、]輻射方向圖和表面電流分布的仿真結果，分析了參數[R1，O，C]和[K]對回波損耗及帶寬的影響，該設計具有一定的參考價值。

關鍵詞： 寬頻帶； 雙頻段； HFSS； 微帶天線； PCB天線； 回波損耗

中圖分類號： TN82?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）07?0021?03

Design and simulation of a novel broadband dual?band microstrip antenna

ZHANG Peng， CHOU Xiujian， WANG Erwei， LIU Li

（MOE Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： A novel broadband dual?band microstrip antenna is presented in this paper. This antenna structure is printed on a fiber glass epoxy resin substrate， and simulated by means of electromagnetic simulation software Ansoft HFSS 13.0. The antenna includes the bandwidths of 2.7～5.39 GHz and 6.39～10.5 GHz， and their relative bandwidths are 67% and 49% respectively. The low?frequency band can be applied to WLAN， and the high?frequency band can be applied to the communication of X?band. The reflection coefficient [S11，] and the simulation results of radiation pattern and surface current distribution are given. The influence of parameter [R1，O，C] and [K] on the return loss and bandwidth is analyzed. This design has a certain reference value.

Keywords： broadband； dual?band； HFSS； microstrip antenna； PCB antenna； return loss

0 引 言

隨著科學技術的不斷發展，現代通信技術也不斷提升，對于電子通信設備來說，小型化成為其不斷的追求，處理信息的能力也日益智能化、寬帶化[1]。作為無線電通信、廣播、導航、雷達、測控、微波遙感、射電天文和電子對抗等各種民用和軍用無線電系統必不可少的設備之一的天線，正扮演著越來越重要的角色。天線的主要功能是在接收系統中完成電磁波與導行波之間的轉換或在發射系統中進行相反的變換。微帶天線具有重量輕、體積小、剖面薄、散射截面小等優點，十分常見，但頻帶窄一直是它的一個缺陷[2]。普通的微帶貼片天線的相對帶寬為[3]0.5%～3%，因此限制了微帶天線在工程上的實際應用。為了擴展微帶的天線頻寬，減小微帶天線尺寸[4]，同時考慮到在許多應用中，人們希望天線能夠工作于兩個或者多個任意間隔的離散頻段，以實現更多的功能[5?6]，設計并仿真了一種新型寬頻雙頻段微帶天線，該天線印制于1.6 mm厚玻璃纖維環氧樹脂基板上[7]，采用同軸線饋電，基本實現了小型化、寬頻帶和雙頻段三者的統一[8]。

1 微帶天線結構

所設計的微帶天線的基本結構如圖1所示，正面結構大致是圓環輻射貼片中心嵌套一個矩形輻射貼片，其參數為[R1=]13 mm，[O=]25 mm，[K=]6 mm，[C=]15 mm，[W=]2 mm，背面是矩形參考地，其長度與基板長度相同，高度[H1=]11 mm，基板尺寸為40 mm×40 mm，其厚度[H=]1.6 mm。選用基板的材質為玻璃纖維環氧樹脂，即常用的PCB電路板，成本低、制作簡單，其相對介電常數[εr=4.4，]損耗正切[tanδ=0.05]。

2 微帶天線仿真結果

如圖2所示，經過HFSS 13.0進行仿真，從1～12 GHz對天線進行掃頻，發現其可用頻段為2.7～5.39 GHz，6.39～10.5 GHz，10 dB帶寬[9]分別為2.69 GHz和4.11 GHz。一般情況下，當定義寬頻天線時，都采用美國1989 年美國國防高級研究計劃局（DARPA）的規定，要求其相對工作帶寬[10]≥25%。相對帶寬的計算公式如下：

[BW=2（fH-fL）fH+fL×100%≥25%]

式中[fH]和[fL]為天線工作頻段的上、下截止頻率。

經計算發現，低頻段的相對帶寬約為67%和49%。而對于目前應用廣泛的通信標準中，無線局域網（WLAN：2.4～2.484 GHz，5.15～5.25 GHz，5.725～5.825 GHz）的中間頻段、超寬帶（UWB：3.1～10.6 GHz）的大部分頻段以及X波段的通信（通常的下行頻率為7.25～7.75 GHz，上行頻率為7.9～8.4 GHz）都可以應用到此天線。

為了進一步了解天線的輻射性能，分別選取低頻段中5 GHz和高頻段中7 GHz的頻率點進行仿真求解，觀察其表面電流分布，如圖3所示。圖3a），圖3b）分別為5 GHz和7 GHz時的表面電流分布圖。

圖4a），圖4b）分別為5 GHz和7 GHz時的二維平面增益方向圖。通過查看天線的三維增益方向圖，天線在求解頻率為5 GHz和7 GHz的最大增益[11]分別為4.54 dB和4.94 dB。

通過分析圖3可以發現，無論是5 GHz還是7 GHz的頻率點，大的表面電流分布主要集中在環形輻射貼片圓周上，且位置不同，而對于中間矩形輻射貼片的表面電流分布都比較小，說明其主要對應的不是這兩個頻率點。從圖4二維平面增益方向圖可以看出，低頻段天線的全向性相對于高頻段要好，不存在裂瓣，高頻段天線增益在[xOy]面發生裂瓣[12]。

3 微帶天線結構分析

為了進一步研究天線結構對其小型化和寬頻帶的影響，仿真改變其圓環輻射貼片半徑[R1、]圓環輻射貼片圓心高度[O]以及矩形輻射貼片長[C]和寬[K]對天線性能的影響，如圖5～圖7所示。

從圖5可以看出，當圓形輻射貼片半徑[R1]從11～14 mm逐漸增加時，天線的諧振頻率不斷增多，諧振點對應的反射系數不斷減小，13 mm時效果比較好，出現可用寬頻帶，14 mm時寬頻帶消失。如圖6所示，通過改變圓形輻射貼片高度[O，]當[O=]24 mm時，不存在明顯的寬頻特性，當[O=]25 mm和[O=]26 mm時寬頻特性比較明顯，但在[O=]26 mm時高頻段的可用頻段相對較窄。為了研究矩形輻射貼片的影響，選取不同的[C，K]組合，如圖7所示，其中紅、黑和綠三條曲線分別代表[C=]14 mm，[K=]5 mm；[C=]15 mm，[K=]6 mm；[C=]16 mm，[K=]7 mm時天線的反射系數[S11]隨掃描頻率的變化。通過觀察發現，當[C，K]不斷增大，即矩形輻射貼片不斷增大的過程中，天線低頻段基本沒有變化，主要影響高頻段的寬頻特性。

4 結 語

本文主要設計了一種新型的PCB微帶貼片天線，采用同軸線饋電。通過HFSS仿真軟件對天線模型進行大量仿真試驗，最后得到了覆蓋2.7～5.39 GHz，6.39～10.5 GHz，相對帶寬分別為67%和49%的寬頻雙頻段天線，這款天線具有體積小、重量輕和易于大批量制作等優點，對于實際工程應用具有一定參考價值。

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