S波段微帶寬頻帶貼片天線設計

摘 要

本文利用微波天線的設計技術，同時結合某種無線設備的相關指標要求，設計了一種工作在S波段的微帶寬頻帶天線，在設計工程中，為了拓寬頻帶寬度，采用E型貼片來進行設計，并對E型貼片的開槽尺寸的確定方法進行了相關的討論。同時在設計中采用SMA接頭，最后利用電磁場仿真軟件HFSS對設計的天線進行仿真，結果為：天線的工作頻率滿足：2.05-2.35GHz，帶內駐波：≤1.5，正交極化：優于15dB。

【關鍵詞】微帶天線 線極化 E型貼片 寬頻帶

微帶天線具有低成本、低剖面、輕重量、易于共形等諸多優點，被廣泛地應用于各種通信系統。但微帶天線有其固有缺陷，即帶寬比較窄，一般只有5%左右，因此展寬微帶天線的帶寬具有十分重要的意義。目前，隨著微帶天線的應用越來越廣，對于如何展寬天線的帶寬已經出現了很多有效的方法，其基本方法有以下幾種：

（1） 增大微帶介質的厚度；

（2）降低微帶介質的介電常數；

（3）采用有耗介質；

（4）附加阻抗匹配網絡等。

其中最具代表的足附加寄生貼片和表面開槽的方法。前兩種方法制作起來比較簡單，容易加工；第三種方法以天線增益的降低為代價；第四種方法需要設計寬帶匹配電路，電路結構復雜，制作難度大。本文這個天線頻帶就比較寬，僅靠單個貼片很難實現的，通過查閱相關資料，我們決定采用E型貼片來擴展帶寬，采用雙側結構來提高增益。同時設計了合理的饋電結構，通過仿真調整各個參數優化設計，得到了能滿足應用需要的天線設計模型。

1 天線結構設計

本設計中的微帶天線采用E型貼片的結構來實現。該模型的基本結構如圖1所示。

該天線主要由金屬底板、E型輻射貼片和寄生輻射單元組成，兩層輻射元均印制在厚度為1mm的FR4介質板上。底板與下層之間、下層與上層印制板之間分別用厚度為h1和h2的空氣層隔開，并在四周用加工的FR4材料結構很好地支撐。天線通過探針對下層的E型貼片饋電，E型貼片通過耦合作用激勵上層的寄生元。E型貼片長為L，寬為W，貼片上兩條間距為Ps的對稱窄縫長度Ls，寬度Ws，中間凹陷深度s，寄生貼片長度Lp，寬度Wp。而寄生輻射單元如下方法設計：

1.1 基片的選擇

基片材料板一般由低損耗介質單面或雙面敷銅、敷鋁、敷金組成?；牧弦话阌芯鬯姆蚁?、聚苯乙烯、陶瓷等，選擇各種基片，由工作頻率及應用條件所決定。例如，低頻帶天線則要用高介電常數基片，以減小尺寸。選擇基片時應考慮基片的多種性質：介電常數和損耗角正切以及他們隨穩定和頻率的變化，均勻性，穩定系數和穩定范圍，天線尺寸隨工藝過程及溫度和濕度變化的穩定性，基片厚度的均勻性等，此外還有抗化學性，拉伸強度及結構強度，柔韌性，可加工性，抗沖擊性，可成形及可粘合性等。

1.2 單元寬w

根據要求的工作頻率f和基片厚度h可用文獻[3]中的公式設計出高效率貼片的寬度：

當選用小于上式的寬度時，輻射效率將降低。而選用大于上式寬度時，雖然輻射效率較高，但這時將產生高次模，從而引起場的畸變。

1.3 單元長度L

矩形微帶元的長度一般為λg/2，λg是等效介質中的波長：

2 仿真結果

圖2所示是利用高頻電磁場仿真軟件HFSS建立的天線仿真模型。

根據設計要求，天線的極化方式是線極化，同時帶內駐波要不大于1.5，通過仿真和優化，基本上滿足要求，圖3所示為天線的最終尺寸。

通過HFSS仿真軟件獲得比較理想的駐波、交叉極化以及增益，具體的參數結果如圖4～6所示。

由仿真結果可以看出，在要求的頻帶內，駐波比均在1.4以下，交叉極化也滿足了要求，在要求的頻帶里增益全都在7.1上8以下。通過分析相關參數，由于帶寬高于10%，屬于寬帶微帶天線，而我們所仿真的結果顯示這種E型貼片的確拓寬了帶寬，但同時我們也發現它的增益最高也只有7點多，很難達到高增益，如果我們只是要拓寬帶寬，選擇E型貼片可以完成要求，但如果要做到寬頻帶高增益，我們就應該尋求其他方法，因為E型天線很難達到高增益。

3 結論

本文給出了一種工作在S波段的微帶寬頻帶天線的設計過程。天線采取同軸饋電，利用E型貼片以及多層結構來拓寬帶寬。同時本文利用行業里較為常用的高頻電磁仿真軟件HFSS驗證仿真的可行性，并為下一步實物的制作提供了參考數據。此外在本文還反映了一個問題就是E型貼片天線的增益不高，但是在擴寬頻帶方向有很好的效果，如果在增益要求不是很高的情況下可以考慮用這種方法來展寬頻帶。

參考文獻

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[2]王玉峰，周汀，崔景波，林鑫超.寬頻帶E形層疊微帶天線設計[J].無線學報，2008（01）：181-184.

[3]魏文元，宮德明，陳必森.天線原理[M].北京：國防工業出版社，1985.

[4]閔剛，武永剛.基于HFSS的雙層寬帶微帶貼片天線的研究[J].電子技術（上海），2009（06）：65-66.

[5]Sajid M.Asif，Adnan Iftikhar，Saeed M.Khan，Muhammad Usman，Benjamin D.Braaten. An E-shaped microstrip patch antenna for reconfigurable dual-band operation[J].Microw.Opt. Technol.Lett.，2016，Vol.58（06）.

作者簡介

方婕（1988-），女，山西省運城市人。碩士學位?，F為晉中學院信息技術與工程學院助教，從事嵌入式、高頻電子電路研究。

作者單位

晉中學院 山西省晉中市 030600