摘 要:提出一種新型寬帶天線結構，在天線貼片兩邊緣開兩C型槽，以激勵出新的諧振點，并在介質與地板間加入空氣層，降低Q值，從而在較小體積的條件下實現(xiàn)展寬帶寬的目的。通過仿真與測試結果表明，該天線在3.92~4.47 GHz頻帶內(nèi)反射系數(shù)均小于-10 dB，方向增益達到8.22 dB，具有良好的輻射特性。

關鍵詞:微帶天線;寬頻帶;C型槽;開槽

中圖分類號:TN82文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-070-03

Design of Novel Broadband Microstrip Antenna with Double C-slots

LI Cunlong，SHI Xiaowei，XU Le，LIN Haojia，BAI Yanfu

(National Key Laboratory of Science and Technology on Antennas and Microwaves，Xidian University，Xi′an，710071，China)

Abstract:A novel wideband microstrip antenna is proposed.Two C-slots are etched in the edge of the antenna patch in order to stimulate a new resonance frequency.The air layer which is added between the media and the ground can reduce the Q value.So the purpose of exhibiting wide bandwidth can be achieved in small size.The simulated and measured results show that the reflection coefficient of the antenna in 3.92~4.47 GHz band is less than -10 dB，the direction of the gain is 8.22 dB with good radiation characteristics.

Keywords:microstrip antenna;wideband;C-slot;slotted

0 引 言

微帶天線以其尺寸小，電性能多樣化等特點得到了廣泛使用，但是由于其高Q的諧振本性決定了其帶寬很窄，限制了應用，所以要展寬微帶天線帶寬。展寬微帶天線的方法很多，在現(xiàn)有的寬帶微帶天線結構中，展寬帶寬的同時都會犧牲天線其他方面的性能。為了展寬帶寬，可以采用雙層結構，但雙層結構的天線往往厚度很大。T.Huynh and K.-F.Lee提出一種采用空氣介質的單層、單輻射貼片開U形槽的結構[1]，獲得了較寬的阻抗帶寬，這種結構的槽開在天線貼片中央位置，對方向圖有一定影響，并且其厚度仍然很大。其后，又有工作者提出了單層E型天線形式[2]，雖然得到了滿意的帶寬，但尺寸往往很大，其寬邊一般都達到普通微帶貼片的1.5～2倍。

為了克服這些缺點，本文設計了一種性能良好的新型雙C型槽寬帶微帶天線結構。該結構天線與開U型槽以空氣為介質的天線相比，減小了高度，并對方向圖無影響，且在結構尺寸上有比單層E型天線更小的優(yōu)勢。

1 天線基本結構與原理

天線的基本結構如圖1所示。上層是尺寸為Wg×Wg的介質層，相對介電常數(shù)為εr，金屬貼片尺寸為W×W，C型槽豎向槽長度為l1，橫向槽長度為l2，槽寬度都為d，介質厚度為h。下層是尺寸為Wg×Wg的地板，在地板和介質層之間有一厚度為h1的空氣層。貼片位于介質層上表面，用同軸探針饋電，貼片兩邊分別開有C型槽。

圖1 天線基本結構圖

天線兩邊開兩C型槽，增加了電流路徑，在邊緣處產(chǎn)生反向電流激勵，從而產(chǎn)生新的諧振點。當新的諧振頻率與原來諧振頻率靠得很近時，微帶天線的帶寬便得到了展寬，但由于微帶天線Q太高，很難實現(xiàn)寬帶，所以要降低Q值，可以采用增加介質高度和降低介電常數(shù)的方法，給天線加上一層空氣層，介質與空氣形成兩層介質，可等效成一層介電常數(shù)比較低的新介質。空氣層的加入既增加了介質厚度，又降低了介質常數(shù)，從而降低了天線Q值，有利于帶寬展寬。

2 天線設計

以圖1所示的天線結構為基礎，采用介電常數(shù)εr為2.65的聚四氟乙烯為介質材料，設計了一個中心頻率在4.2 GHz的天線。采用ANSOFT HFSS 11進行仿真優(yōu)化。

該天線可以產(chǎn)生兩個諧振點，C型槽尺寸對天線高低兩諧振點有一定影響，低頻諧振點則由C型槽尺寸決定，當增加C型槽豎向長度和橫向長度時，電流路徑增加，諧振點位置有所變化。如圖2所示，當增加C型槽豎向長度l1時，高頻諧振點基本不動，低頻諧振點向低頻移動。如圖3所示，當增加C型槽橫向長度l2時，高頻諧振點基本不動，低頻頻諧振點向低頻移動?？梢钥闯?，當C型槽尺寸增加時，電流路徑增加，低頻諧振點變低，高頻諧振點位置不受C型槽影響，而由天線原尺寸決定。

圖2 C型槽豎向長度l1對S11影響

圖3 C型槽橫向長度l2對S11的影響

調(diào)節(jié)C型槽豎向與橫向長度，使兩諧振點最優(yōu)組合，得到S11性能最好的結果。分別得到在3.92 GHz和4.27 GHz的兩個諧振點，設計出中心頻率在4.2 GHz的寬帶微帶天線，仿真S11如圖4所示。優(yōu)化后的尺寸如表1所示。

圖4 設計天線的仿真S11

表1 天線尺寸

mm

WgWl1l2dWshh1fx

5025235.121147.3

圖5給出天線工作在3.9 GHz時貼片邊緣上的電流流向。由圖5可以看出，受貼片上開槽的影響，電流流經(jīng)的路徑變長，因此諧振頻率較低。圖6給出天線在4.3 GHz工作時貼片上的表面電流。由圖6可見，在C型槽兩側幾乎沒有反向電流，所以產(chǎn)生高頻諧振點。

圖5 3.9 GHz貼片邊緣電流

圖6 4.3 GHz時貼片邊緣上電流分布

3 天線結果測量與分析

天線實物如圖7所示，與普通微帶天線相比新型天線的貼片大小基本保持不變，貼片的邊長僅為0.45λ0 (λ0為中心頻率的工作波長)，和普通的微帶貼片天線相當。

圖7 天線實物

圖8給出了仿真和實測曲線。在仿真和測試結果中，高諧振頻率和低諧振頻率吻合良好，仿真與實測結果非常吻合。實測結果中，S11<-10 dB的頻帶范圍為389～453 GHz，以4.2 GHz為中心頻率，其相對阻抗帶寬可達15.2%，具有良好的帶寬特性。

圖9給出了C型槽寬帶微帶天線在中心頻率4.2 GHz的方向圖，因為天線C型槽開在天線兩邊緣部位，離中心點較遠，所以對天線的方向圖基本沒有影響。從圖中可以看出，天線增益最大值在天線正上方，增益8.3 dB，副瓣最大值在-7 dB左右，與普通微帶天線方向圖基本一致。

圖8 S11仿真值與測量值的比較

圖9 天線E面、H面方向圖

4 結 語

提出了一種開雙C型槽的新型寬帶天線，通過C型槽增加電流路徑激勵處新的諧振點，并加入空氣層，減小天線Q值，從而展寬帶寬。該天線結構有效地展寬了帶寬，與普通微帶天線相比，帶寬展寬3倍，但其他性能并沒因此受到影響。貼片的面積小，一般U型槽寬帶微帶天線結構需要采用大的貼片，通常是普通微帶天線的1.5～2倍;該天線結構的面積僅與普通微帶天線相當，更能滿足對貼片橫向尺寸要求嚴格的情況，且厚度較低。此天線厚度僅為0.07λ0，與多層結構相比，厚度得到有效降低，結構比多層結構更簡該單。參數(shù)對駐波曲線影響不太劇烈，與加載短路探針的寬帶微帶天線結構相比，提出的天線設計和加工更為方便，帶內(nèi)增益比較穩(wěn)定。該天線結構可作為共形陣單元，用于軍用通信。

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