摘 要:設(shè)計(jì)了一種用于PCS和IMT-2000頻段的雙U形結(jié)構(gòu)的微帶貼片天線，提出了一種新的方法，用同軸饋電的不是傳統(tǒng)平行的雙U形矩形微帶貼片，其優(yōu)點(diǎn)也是可以增加輸入阻抗帶寬。天線使用合適的尺寸，可以使U形縫天線在1 710~2 170 MHz頻段內(nèi)高達(dá)23.7%的相對(duì)帶寬(VSWR<2)。使用商業(yè)軟件HFSS10得到天線的回波損耗和方向圖仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞:微帶天線; 雙U形結(jié)構(gòu); 相對(duì)帶寬; 回波損耗

中圖分類號(hào):TN820 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)12-0037-02

Broadband Micro-strip Patch Antenna with Double U-slot for PCS and IMT-2000

WANG Ya-jun， ZHU Shou-zheng

(East China Normal University， Shanghai 200241，China)

Abstract:A new method of adopting a coaxial feed double-U type ofrectangular micro-strip patch which can increase the impedance bandwidth is introduced to design the micro-strip patch antenna with double-U structure working in PCS and IMT-2000 waveband. Proper dimensions for the antenna can make the double U-slot bandwidth as high as 23.7%(VSWR≤2) in 1 710~2 170MHz waveband. The return loss of antenna and simulation results of radiation pattern using commercially software HFSS10 are gained.

Keywords:microstrip antenna; double U-slot; relative broadband; return loss

0 引 言

隨著高頻信號(hào)和高速數(shù)據(jù)通信的快速發(fā)展，比如最近幾年發(fā)展的PCS和IMT-2000的服務(wù)，再加上今年和以后發(fā)展的3G和LTE業(yè)務(wù)的發(fā)展，人們迫切去需要發(fā)展能夠傳輸大容量的，帶寬很寬的天線設(shè)備[1]。IMT-2000服務(wù)有許多優(yōu)點(diǎn)，能夠高速地傳輸數(shù)據(jù)和圖像。當(dāng)今社會(huì)，手機(jī)被廣泛使用，所以用于發(fā)射和接收的基站性能也要有大幅度的提高。同樣，隨著3G業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，它是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通信技術(shù)。3G服務(wù)能夠同時(shí)傳送聲音(通話)及數(shù)據(jù)信息(電子郵件、即時(shí)通信等)。代表特征是提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，盡管高速率瀏覽，移動(dòng)視頻已經(jīng)出現(xiàn)在GPRS/CDMA1X中，但是只能將這些業(yè)務(wù)稱為“演示版”，他們規(guī)?；菔竞笏蟮膸挻_實(shí)是3G網(wǎng)絡(luò)很難提供的[2]。這些新的業(yè)務(wù)需求，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚傩阅芤蠛車?yán)，這一切也需要設(shè)計(jì)出高新能大帶寬的基站天線。在此，主要設(shè)計(jì)了用于PCS的1.75~1.87 GHz和IMT-2000的1.92~2.17 GHz頻段的U形結(jié)構(gòu)的寬帶微帶天線。本文的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)思路可以用于設(shè)計(jì)3G和LTE基站天站中，而且，還可以用于終端產(chǎn)品的天線設(shè)計(jì)中。但是，眾所周知，普通的貼片天線有帶寬窄的缺點(diǎn)，也出現(xiàn)了一些改善帶寬的一些方法，比如，使用多層結(jié)構(gòu)的貼片[3]，耦合饋電[4]等技術(shù)。近年來在一些文獻(xiàn)上出現(xiàn)了采用在貼片天線開縫的方式來提高帶寬，文獻(xiàn)[ 5] 中講到了這種縫隙貼片天線，能夠提高天線的帶寬;文獻(xiàn)[ 6] 中在貼片上加了短路針;文獻(xiàn)[ 7] 中使用了開半U(xiǎn)形縫隙;文獻(xiàn)[ 8] 中用到了L形探針耦合饋電;文獻(xiàn)[ 9] 中采用E形縫隙貼片天線來提高帶寬。在該設(shè)計(jì)中，對(duì)文獻(xiàn)[ 2] 中的天線的結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)，采用雙U形相對(duì)放置的貼片天線，對(duì)帶寬又有了進(jìn)一步的提高。

1 天線設(shè)計(jì)

圖1顯示的是天線的結(jié)構(gòu)，由于這個(gè)天線設(shè)計(jì)的參數(shù)很多，天線的相關(guān)參數(shù)的大小已經(jīng)標(biāo)注在天線中，天線采用介電常數(shù)為2.2的介質(zhì)板，在天線設(shè)計(jì)和優(yōu)化中要不斷的調(diào)節(jié)各參數(shù)的大小，比如接地板的大小，貼片的大小，U形縫的大小，以及饋電的位置等。該設(shè)計(jì)中，把饋電放在中心原點(diǎn)，將接地板的大小固定不變，取為110 mm×110 mm。主要優(yōu)化貼片的大小和縫隙的大小。縫隙的優(yōu)化包括，U形縫的縫寬，縫的長度和寬度，縫的邊緣和貼片邊緣的距離。在設(shè)計(jì)中，取縫隙到貼片邊緣的距離是5 mm。從圖1中可以看到，它是2個(gè)相對(duì)的U形縫隙組成的，與文獻(xiàn)[ 5] 傳統(tǒng)的單U形縫隙和文獻(xiàn)[ 10] 中的平行的U形不同，其性能上有所提高。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

在單U形縫隙天線上，可以得到一個(gè)諧振頻率點(diǎn)，當(dāng)加上第二個(gè)U形縫隙時(shí)，可以得到第二個(gè)諧振頻率點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)縫隙的參數(shù)調(diào)到適合的大小，使天線的帶寬得到提高。

2 仿真結(jié)果

通過商業(yè)軟件HFSS 10對(duì)上述設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行仿真，下面包括天線回波損耗，天線的方向圖，天線的駐波比的仿真結(jié)果。圖2是天線的駐波比的仿真結(jié)果，可以看到在所要求的頻段上駐波比小于2.0.符合大多數(shù)天線場合的要求。

圖2 天線的駐波比仿真結(jié)果

圖3為天線的方向圖，從圖中可以看出，天線的增益不是很好，但是可以通過其他的手段來補(bǔ)償，比如將天線做成陣列的形式，或者可以把天線做在一些終端產(chǎn)品中。

圖3 天線的方向圖

3 分析與討論

利用軟件HFSS10中的參數(shù)掃描功能做優(yōu)化分析，我們改變第二個(gè)U形縫隙的長度來觀察天線的性能的變化。從圖4可得到分析的結(jié)果。

圖4 分析結(jié)果

從分析結(jié)果來看，最佳結(jié)果就是圖1中標(biāo)注的大小。使用HFSS10中這個(gè)功能對(duì)分析問題有很大的幫助。

4 結(jié) 語

隨著技術(shù)要求的不斷提高，對(duì)天線的性能要求越來越高。本設(shè)計(jì)對(duì)天線的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)好的思路，還可以做成三頻或多頻的天線，還可以考慮再增加U形縫隙的數(shù)量，使性能上進(jìn)一步提高。但是，該設(shè)計(jì)中有個(gè)很大的不足，天線的增益不高，可以調(diào)節(jié)饋電的位置再進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)節(jié)。如果想把這天線做的更好，還需通過相關(guān)算法進(jìn)行優(yōu)化，比如遺傳算法。

參考文獻(xiàn)

[1]PARK Kyoung-Su，CHOI Sung-Youl， LEE Hee-Bock， et al. The wide band antenna for both IMT2000 and PCS using U-slot[J]. Antennas and Propagation Society International Symposium， 2004， 2(2): 1895-1898.

[2]馬華興.解惑3G業(yè)務(wù)概念、實(shí)現(xiàn)和規(guī)劃[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社，2006.

[3]郭戈，紹建興.一種雙頻多層微帶天線的設(shè)計(jì)與分析[J].通信技術(shù)，2009，48(Z):29-33.

[4]傅佳輝， 吳群，劉敏，等.新型毫米波微帶天線H槽耦合饋電設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009，31(Z1):333-336.

[5]NATARAJAN V， CHETTIAR E， CHATTERJEE D. An ultra-wideband dual， stacked， U-slot microstrip antenna[J]. Antennas and Propagation Society International Symposium， 2004， 3: 2939 - 2942.

[6] SHACKELFORD A K， LeeK F， LukK M， et al.U-slot patch antenna with shorting pin[ J] . Electronics Letters， 2001，37(12): 729 – 730.

[7] MAK C L， Chair R Lee K F. Half U-slot patch antenna with shorting wall[J]. Electronics Letters， 2003， 39(25): 1779 – 1780.

[8]SHACKELFORD A， LEE Kai-Fong， CHATTERJEE D. On reducing the patch size of U-slot and L-probe wideband patch antennas[J]. Antennas and Propagation for Wireless Communications， 2000: 35 – 38.

[9]YANG F， ZHANG Z Z， YE Z， et al. Wide-band E-shaped patch antennas for wireless communications[ J] . IEEE Trans. on Antennas Propag.， 2001， 49(7): 1049–1100.

[10]LEE Kai Fong， YANG S L S， KISHKA A. U-slot patch antennas for dual-band or multi-band applications[J]. Antenna Technology， 2009: 1-4.