摘 要：介紹一種新型E型結(jié)構(gòu)的微帶天線(xiàn)。在U型微帶天線(xiàn)中間加一段傳輸線(xiàn)構(gòu)成新型E型微帶天線(xiàn)，產(chǎn)生多點(diǎn)諧振，達(dá)到微帶天線(xiàn)頻帶展寬的目的。通過(guò)改變饋電點(diǎn)位置和傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度和寬度，實(shí)現(xiàn)微帶天線(xiàn)的最佳匹配和頻帶的展寬。仿真結(jié)果表明，該天線(xiàn)在4.25～5.366 GHz頻帶內(nèi)反射系數(shù)均小于-10 dB，方向最大增益達(dá)到9 dB，相對(duì)帶寬為23.2%。且對(duì)E型天線(xiàn)加工和測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果一致。

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關(guān)鍵詞：微帶天線(xiàn); E型; 寬帶; 高增益

中圖分類(lèi)號(hào)：

TN82-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2012)05

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Design of a new type broadband E-shapped microstrip antenna

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LIU Qing-chun， XIONG Xiang-zheng

(Institute Of Electromagnetic Field and Microwave Technology， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

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Abstract：

A new E-shapped microstrip antenna is introduced. A transmission line was added into the middle of U-shapped microstrip antenna， which constituted a new E-shapped microstrip antenna， resulted in more resonance to broaden the frequency band. By adjusting the position of feeding point and the length and the width of the transmission line， the proposed antenna achieved the best impedance matching and the bandwidth broadening. The simulated results show that the reflection coefficient of the antenna in 4.25~ 5.366 GHz band is less than -10 dB， the direction of the gain is 9 dB， the relative bandwidth is 23%.E-shapped microstrip antenna is manufactured and tested， the result is agree with the simulated result.

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Keywords： microstrip anetnna; E shape; broadband; high gain

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收稿日期：2011-10-21

0 引 言

微帶天線(xiàn)［1］具有體積小、重量輕、易饋電、易與載體共形等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量和通信各個(gè)領(lǐng)域。但是，微帶天線(xiàn)的窄頻帶特性［2］在很多方面限制了它的廣泛應(yīng)用，因此展寬微帶天線(xiàn)的帶寬具有十分重要的意義。

近年來(lái)，人們?cè)谡箤捨炀€(xiàn)的帶寬方面做了很多的研究［3］：增大基板厚度，降低介電常數(shù)［4］；采用電磁耦合多諧振來(lái)擴(kuò)展帶寬的方式［5-6］，采用縫隙耦合饋電的方式［7-8］，采用多層結(jié)構(gòu)［9-10］。本文在對(duì)上述各種展寬帶寬技術(shù)的比較研究之后，通過(guò)在U型微帶天線(xiàn)中間加一段傳輸線(xiàn)構(gòu)成新型的E型微帶天線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)阻抗頻帶的展寬。利用HFSS 模擬仿真以及實(shí)測(cè)結(jié)果表明， 這種天線(xiàn)在工作于4.25～5.366 GHz 時(shí)， 其相對(duì)帶寬達(dá)到了23.2%，且采用了傳統(tǒng)的同軸饋電， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 易加工。

1 天線(xiàn)設(shè)計(jì)與分析

微帶天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖1所示， 貼片的長(zhǎng)為L，寬為W，饋電點(diǎn)位置為(P_x，P_y)，U_l和U_w為U型天線(xiàn)尺寸， U型天線(xiàn)中間增加的微帶線(xiàn)的長(zhǎng)度和寬度分別為E_l和E_w，微帶天線(xiàn)離地面的高度為H。當(dāng)E_l為零時(shí)即為U型天線(xiàn)，E_l不為零時(shí)為E型天線(xiàn)。天線(xiàn)采用傳統(tǒng)的同軸饋電方式。天線(xiàn)與地面之間采用空氣為介質(zhì)，減少采用高介電常數(shù)介質(zhì)帶來(lái)的損耗，同時(shí)可達(dá)到增加頻帶寬度的目的。

圖1 E型天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)圖

從圖2可知，隨著E_l的增大，高頻諧振頻率點(diǎn)變小，在E_l=14.5 mm時(shí)候高頻諧振點(diǎn)獲得較好的匹配，當(dāng)E_l繼續(xù)增大時(shí)候匹配變差。由圖4可得，隨著E_w增大，低頻諧振點(diǎn)匹配變差，而高頻諧振點(diǎn)匹配變好。通過(guò)調(diào)節(jié)中間傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度E_l和寬度E_w可獲得兩個(gè)匹配較好的諧振頻率點(diǎn)。

如圖4可得，隨著P_y的值增大，天線(xiàn)匹配越好，但是天線(xiàn)工作頻帶變小。通過(guò)調(diào)節(jié)P_y值，可獲得最佳的天線(xiàn)匹配和頻帶的展寬。

2 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)多次仿真優(yōu)化后得出E型微帶天線(xiàn)的具體尺寸，表1為U型天線(xiàn)和E型天線(xiàn)的尺寸(單位:mm)。根據(jù)表中參量的值，采用HFSS對(duì)本文所設(shè)計(jì)的微帶天線(xiàn)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5~圖7所示。

圖5是U型微帶天線(xiàn)和E型微帶天線(xiàn)的回波損耗曲線(xiàn)圖。由圖可得，U型天線(xiàn)S11小于-10 dB的頻率從4.715~5.035 GHz，中心頻率為4.875 GHz，頻帶寬度BW=0.32 GHz，相對(duì)帶寬為6.5%；E型天線(xiàn)S11小于-10 dB的頻率從4.25~5.364 GHz，中心頻率為4.807 GHz，頻帶寬度BW=1.114 GHz，相對(duì)帶寬為23.2%，相對(duì)于U型天線(xiàn)帶寬展寬3.5倍。因此，在U型天線(xiàn)中間加入傳輸線(xiàn)可以有效展寬帶寬。

圖6，圖7是E型天線(xiàn)在兩諧振點(diǎn)的E面和H面方向圖。由圖可得，微帶天線(xiàn)的最大增益達(dá)到9 dB，較之傳統(tǒng)的微帶天線(xiàn)增益(5 dB)有較大的增加。

圖8為E型天線(xiàn)加工的實(shí)物圖。圖9為用Agilent E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試E型天線(xiàn)的S11曲線(xiàn)，實(shí)測(cè)S11小于-10 dB的頻帶為4.09～5.06 GHz。由于加工粗糙和饋電端口誤差導(dǎo)致對(duì)天線(xiàn)頻移和帶寬的減小，但和仿真的結(jié)果相近。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)微帶天線(xiàn)窄帶的特性，本文提出了一種有效展寬微帶天線(xiàn)頻帶的方法。通過(guò)在U型微帶天線(xiàn)中間加一段傳輸線(xiàn)，適當(dāng)調(diào)整同軸饋電點(diǎn)和傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)寬 ，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶高增益的E型微帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)。天線(xiàn)工作在4.25～5.366 GHz頻帶內(nèi)，且增益達(dá)到了9 dB，相對(duì)帶寬達(dá)到23%，可運(yùn)用于IEEE 802.11a (5 GHz)頻段的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)。本文給出了實(shí)測(cè)結(jié)果，并與仿真結(jié)果一致。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］BALANIS C A. Antenna theory analysis and design \\[M\\]. 3ed. \\[S.l.\\]: Wiley， 2005.



［2］馬小玲，丁丁.寬頻帶微帶天線(xiàn)技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2006.



［3］趙云，蘇樺，史曉飛.寬頻帶微帶貼片天線(xiàn)技術(shù)［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011(5):92.



［4］鐘順時(shí).微帶天線(xiàn)理論與應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1991.



［5］KUMAR G， GUPTA K. Directly coupled multiple resonator wide-band microstrip antenna \\[J\\]. IEEE Trans. on Antennas and Propagation， 1985， 33(6): 588 - 593.



［6］POZAR D M. Microstrip antenna aperture-coupled to a microstrip line \\[J\\]. Electron Letters， 1985， 24(12): 49-50.



［7］POZAR D M. TARGONSKI S D. Improved coupling for microstrip aperture coupled microstrip antenna \\[J\\]. Electron Letters， 1991， 27(13): 1129-1131.



［8］YANG Xian-hua.Characteristics of aperture coupled microstrip antennas with various radiating patches and coupling apertures \\[J\\]. IEEE Trans.on Antennas and Propagation， 1995， 43(1): 72-78.



［9］LIU Zhang-Fa， KOOI Pang-Shyan. A method for designing broad-band microstrip antennas in multilayered planar structures \\[J\\]. IEEE Trans. on Antennas and Propagation， 1999， 47(9): 1416-1420.



［10］董玉良，田步寧，紀(jì)奕才.寬頻帶雙層微帶天線(xiàn)研究［J］.微波學(xué)報(bào)，2002，18(1):43-45.

(上接第101頁(yè))

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)射頻接收模塊系統(tǒng)指標(biāo)要求，對(duì)參數(shù)的指標(biāo)進(jìn)行了分析，根據(jù)噪聲系數(shù)、靈敏度、增益等關(guān)鍵指標(biāo)要求，提出了一種基于ATF54143的低噪聲放大器設(shè)計(jì)方案，并用ADS軟件進(jìn)行了仿真，得到了仿真數(shù)據(jù)，為后面設(shè)計(jì)、調(diào)試硬件電路板提供了理論依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］王曉明，殷耀國(guó)，楊自明.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的現(xiàn)代化進(jìn)展［J］.全球定位系統(tǒng)，2006(4)：39-41.



［2］董自健，宋鐵成.衛(wèi)星定位接收機(jī)射頻模塊的研制［J］.電視技術(shù)，2003(5):70-73.



［3］祖秉法.北斗接收機(jī)射頻模塊關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2006.



［4］唐守龍.新型北斗用戶(hù)機(jī)射頻模塊設(shè)計(jì)［J］.信息化研究，2009，35(3)：53-55.



［5］嚴(yán)蘋(píng)蘋(píng).北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)射頻前端的研制［D］.南京：東南大學(xué)，2004.



［6］LUDWIG Reinhold，BRETCHKO Pavel.射頻電路設(shè)計(jì):理論與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002.



［7］周偉中.低噪聲放大器的仿真設(shè)計(jì)［J］.科技資訊，2010(14):30-31.

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作者簡(jiǎn)介：

余之喜 男，1987年出生，大田人，碩士研究生。主要從事射頻電路設(shè)計(jì)的研究。

蘇凱雄 男，羅源人，教授。主要研究方向?yàn)閿?shù)字視頻廣播系統(tǒng)與多媒體技術(shù)。

陳 俊 男，1978年出生，福清人，碩士，講師。主要從事微波功率放大器和數(shù)字電視等方向的研究。

楊華煒 男，1987年出生，連城人，碩士研究生。主要從事射頻電路設(shè)計(jì)的研究。