一種新型超寬帶貼片天線的設計研究

何小洋 張平平

摘 要：本文設計了一款新型的超寬帶貼片天線，應用于衛星通信技術。仿真結果表明，天線的工作頻帶達到了5.1GHz，范圍從10.5GHz到15.6GHz，相對帶寬可達40%。頻帶上的VSWR小于2且天線具有良好的方向性和增益，能較好地應用于衛星通信和太空探索領域。

關鍵詞：超寬帶；貼片；衛星通信

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）08-0055-02

Design and Research a Novel UWB Microstrip Patch Antenna

HE Xiaoyang1 ZHANG Pingping2

（1. Jiangxi Vocational College of Science and Technology，Nanchang Jiangxi 330200； 2. Jiangxi Vocational and Technical College of Information Application，Nanchang Jiangxi 330043）

Abstract： In this paper， a novel UWB microstrip patch antenna was design for satellite communication technology. Simulated results showed that the bandwidth of the antenna reaches 5.1GHz in the operating frequency range from 10.5GHz to 15.6GHz， it means a relative bandwidth of 40%.The VSWR was less than 2 in the frequency band and the antenna had good directionality and gain， and it could be better applied to satellite communication and space research.

Keywords： ultra-wideband（UWB）；patch；satellite communication

1 研究背景

近年來，無線通信技術得到了快速發展，目前較成熟的無線通信技術有手機通信、Wi-Fi、藍牙、ZigBee等技術。目前，人們的生活已經離不開無線通信技術，其對通信的質量提出了更高的要求。天線作為無線通信系統的核心部件，起到接收和發送信號的作用，因此需要有更優良的性能，這就要求天線不僅要具有多頻段工作的功能，還要具有低剖面、抗干擾能力強、適應環境能力強等優勢，以滿足人們對無線通信的需求。微帶貼片天線因易于制作、低功耗、低剖面等優點而成為優選方案之一，其被廣泛應用于軍事和民用領域，如宇航和衛星通信、遙感技術等[1，2]。因此，加強對微帶貼片天線的研究尤為重要。

微帶貼片天線的介質板上有兩個金屬表面，一面是輻射面，另外一面作為電線接地端（GND）。介質板的材料有很多種，其介電常數也不盡相同，但我們一般選擇玻璃纖維環氧樹脂覆銅板（FR4），其介電常數為4.4。天線的饋電技術也有很多種，如同軸饋電、微帶線饋電等。但是，低剖面天線也有不足之處，如帶寬窄、增益低等。本文通過減小電線接地端面積大小的方法，改善微帶貼片天線的帶寬[3]，使其更好地應用于衛星通信中。

2 天線結構設計

本文設計了一款新穎的超寬帶天線，圖1為所設計天線的剖面圖。圖中給出了貼片、饋線、介質板和GND等位置。介質板采用的材料為FR4，介電常數為4.4，損耗正切tan[δ]=0.02，厚度為1.4mm。上方金屬輻射片的厚度為0.5mm。天線的主視圖如圖2所示，后視圖如圖3所示。

3 天線的分析與仿真

在三維電磁仿真軟件HFSS中，按照相應的尺寸大小構造模型，然后對天線進行仿真優化。為了了解天線性能，需要關心以下參數：頻帶寬度、回波損耗、增益、電壓駐波比（VSWR）和方向圖等。從圖4可知，天線的中心頻率為13.3GHz，此時的回波損耗S11為-17dB，天線的頻帶寬度可達5.1GHz，從10.5GHz到15.6GHz，相對帶寬達40%。對于天線來說，VSWR一般越小越好，要求小于2。從圖5可知天線的VSWR大小在整個工作頻段范圍內都介于1和2之間。圖6為天線的三維增益方向圖，從圖6可知天線具有良好的增益性和全向性，因此這款所設計的天線能較好地應用于衛星通信、空間探索和射電天文學等。

4 結論

本文設計了一款新型的微帶貼片天線，通過減小GND面積的大小，改善了天線的性能。仿真結果表明，該天線的工作頻率范圍從10.5GHz到15.6GHz，帶寬為5.1GHz，相對帶寬可達40%。在整個帶寬內，VSWR都小于2，而且天線具有良好的增益和全向性。綜上所述，這款天線具有優良的性能，能夠應用于衛星通信和宇宙空間探索等領域。

參考文獻：

[1]Sidhu E， Kumar A. Horse Shoe Shaped Stacked Microstrip Patch Antenna for WLAN， WiMAX and IMT Applications [J].An International Journal of Engineering Sciences，2016（17）：525-531.

[2]TANG M C. Compact UWB antenna with multiple Band-notches for WIMAX and WLAN [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2011（4）：1372-1376.

[3]石亞偉，陳孟剛，劉東卓.具有三阻帶特性的新型平面超寬帶天線研究[J].電子元件與材料，2013（4）：47-49.