張　壹， 左建宏， 陳新偉， 張文梅

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院， 山西 太原 030006)

一種接地板開(kāi)槽的小型化蝶形天線設(shè)計(jì)

張壹， 左建宏， 陳新偉， 張文梅

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院， 山西 太原 030006)

摘要:本文設(shè)計(jì)了一個(gè)新型小型化蝶形微帶天線， 該天線采用微帶饋線， 通過(guò)優(yōu)化輻射貼片和在接地板開(kāi)槽的方法， 減小了天線尺寸， 最終所實(shí)現(xiàn)的天線尺寸為32 mm×32 mm， 與傳統(tǒng)蝶形天線相比尺寸減小23%. 測(cè)量結(jié)果表明： 天線S11<-10 dB的阻抗帶寬能達(dá)到120 MHz(2.49 GHz～2.61 GHz). 同時(shí)， 天線最大增益為2.5 dBi， 可以應(yīng)用于無(wú)線傳輸領(lǐng)域.

關(guān)鍵詞:蝶形微帶天線； 阻抗帶寬； 天線增益

0引言

隨著個(gè)人通信裝備的不斷增加， 小型化緊湊的微帶天線得到很大程度的發(fā)展. 同時(shí)為了減少天線尺寸， 不少學(xué)者提出了各種方法， 比如電阻負(fù)載技術(shù)， 曲流技術(shù)和加槽技術(shù)等[1-3]; 在輻射貼片中刻蝕一個(gè)合適形狀的縫隙， 或者在接地板開(kāi)槽的方法來(lái)減小天線尺寸[4]. 此外， 蝶形微帶天線可以減小尺寸并且增加帶寬[5]. 矩形微帶天線和蝶形微帶天線的輻射特性有相似之處， 而蝶形天線的面積卻有很大程度的減小[6]. 蝶形天線的帶寬調(diào)節(jié)是通過(guò)共面波導(dǎo)饋電的外延角來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 也可以通過(guò)減少金屬化實(shí)現(xiàn)新穎的蝶形天線[7-9].

本文中， 通過(guò)優(yōu)化貼片結(jié)構(gòu)和在接地板開(kāi)槽的方法設(shè)計(jì)了一個(gè)小型化的蝶形天線， 并且給出設(shè)計(jì)公式. 和文獻(xiàn)[6]中的天線相比， 天線尺寸減小23%. 仿真和測(cè)量的結(jié)果表明： 該天線工作在2.49～2.61 GHz, 帶寬S11≤-10 dB是4.7%， 同時(shí)得到了天線最大增益為2.5 dBi.

1天線的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的天線如圖 1 所示， 該天線采用FR4介質(zhì)基板， 相對(duì)介電常數(shù)4.4， 厚度1.6 mm， 整個(gè)尺寸為32 mm×36 mm， 天線的輻射單元是一個(gè)帶有微帶饋線的對(duì)稱蝶型貼片， 其中饋線長(zhǎng)為h1寬為l2,微帶線的另一端與SMA接頭同軸探針相連. 接地板上有一個(gè)長(zhǎng)為a寬為b的長(zhǎng)方形槽. 不同的開(kāi)槽尺寸所對(duì)應(yīng)的阻抗曲線如圖 2 所示. 結(jié)果表明當(dāng)接地板槽的面積變大時(shí)， 輸入阻抗的虛部變化很大， 而實(shí)部變化很小. 天線的諧振頻率隨著開(kāi)槽面積的增大而降低. 在文獻(xiàn)[6]中， 作者提出一種修正公式， 用來(lái)修正對(duì)于TM10模結(jié)構(gòu)的諧振頻率. 在本文中， 通過(guò)用下述公式來(lái)修正所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu).

(1)

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(6)

(7)

式中：h是介質(zhì)厚度，ε是相對(duì)介電常數(shù)，wc是連間兩個(gè)蝶形天線間距，c是自用空間光速. 其他參數(shù)l1=32 mm,l=24 mm,l2=3.1 mm,w1=36 mm,w=28 mm,h1=12.5 mm,εr=4.4,α=45°.

通過(guò)上述公式計(jì)算了不同槽對(duì)應(yīng)的諧振頻率， 并與仿真軟件HFSS的仿真結(jié)果做比較， 結(jié)果如表 1 所示， 兩個(gè)結(jié)果最大和最小的相對(duì)誤差分別為4.46%和0.40%. 仿真和計(jì)算結(jié)果表明長(zhǎng)度b對(duì)天線的諧振頻率影響很大， 而長(zhǎng)度a則幾乎沒(méi)有影響.

表 1　不同的參數(shù)對(duì)應(yīng)的仿真和測(cè)量結(jié)果

圖 2　不同開(kāi)槽尺寸對(duì)應(yīng)的輸入阻抗曲線Fig.2　The antenna input impedance curve for various dimensions of the window

2結(jié)論和分析

圖 3　測(cè)量和仿真的S11結(jié)果Fig.3　Measured and simulated S11 for the antenna

通過(guò)式(1)～式(7)， 設(shè)計(jì)了一個(gè)工作頻率在2.55 GHz天線， 最終優(yōu)化尺寸為l1=32 mm,l=24 mm,l2=3.1 mm,w1=36 mm,w=28 mm,h1=12.5mm,ε=4.4,α=45°,a=16 mm,b=24 mm. 測(cè)量和仿真的S11結(jié)果在圖 3 中， 測(cè)量的阻抗帶寬為4.7%(2.49～2.61 GHz).

在圖 4 中， 描述了2.55 GHz時(shí)仿真和測(cè)量的輻射模式. 從圖 4 中可以看出， 仿真和測(cè)量的結(jié)果基本一致. 在E面主極化是8字形， 交叉極化水平比較低. 同時(shí)， 在H面得到較好的全向輻射特性和低的交叉極化.

圖 4　測(cè)量和仿真的天線輻射方向圖Fig.4　Measured and Simulated radiation pattern for proposed antenna

最后， 測(cè)量的天線在2.49～2.61 GHz的增益如圖 5 所示， 可以得出設(shè)計(jì)的天線增益工作頻率優(yōu)于0.25 dBi,最高增益是2.5 dBi.

圖 5　天線增益Fig.5　Measured gain for the antenna

3結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)小型化蝶形微帶天線， 通過(guò)優(yōu)化天線的輻射貼片和接地板開(kāi)槽的方法來(lái)減少天線的尺寸. 與文獻(xiàn)6的天線尺寸相比， 減少了23%. 仿真和測(cè)量的結(jié)果也表明， 天線工作在2.49～2.61 GHz， 相對(duì)帶寬4.7%. 同時(shí)， 設(shè)計(jì)的天線在相對(duì)穩(wěn)定性和全向輻射特性方面有所改進(jìn)， 天線最大增益為2.5 dBi.

參考文獻(xiàn)：

[1]Boccia L, Amendola G, Massa G D. A dual frequency microstrip patch antenna for high-precision GPS applications[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2004(3): 157-160.

[2]Chiu C Y, Chan C H, Luk K M. Small dual-band antenna with folded-patch technique[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2004(3): 108-110.

[3]Dey S, Mittra R. Compact microstrip patch antenna[J]. Microwave Opt. Technol. Lett, 1996(13): 12-14.

[4]Chen Y J, Long Y L. The development of the small wideband microstrip antenna[J]. Systems Engineering and Electronics, 2000(22): 20-24.

[5]Karacolak T, Topsakal E. A double-sided rounded bow-tie antenna (DSRBA) for UWB communication[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2006(5): 446-449.

[6]George J, Deepukumar M, Aanandan C K. New compact microstrip antenna[J]. Electronics Letters, 1996(32): 509.

[7]Jen-Fen Huang, Chih-Wen Kuo. Cpw-fed bow-tie slot antenna[J]. Microwave And Optical Technology Letters, 1998(19): 358-360.

[8]Ahmet Cemal Durgun, Constantine A. Balanis, Craig R. Birtcher, and David R. Allee, design, simulation, fabrication and testing of flexible bow-tie antennas[J]. IEEE Transactions on Antenas and Propagation, 2011(59): 4425-4435.

[9]Ming-Tien Wu, Ming-Lin Chuang. Multibroadband slotted bow-tie monopole antenna[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2015(14): 887-890.

Design of the Miniaturized Bow-Tie Microstrip Antenna with a Slot in the Ground

ZHANG Yi, ZUO Jianhong,CHEN Xinwei， ZHANG Wenmei

(College of Physics and Electronics Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

Abstract:A novel miniaturized bow-tie microstrip antenna is proposed In this paper. The antenna is fed by the microstrip line. In order to reduce the size of the antenna, the optimized bow-tie patch and the ground plane with rectangular window is employed. Finally, the dimensions of the proposed antenna are 32 mm×32 mm. Compared with the traditional antenna, the antenna size is reduced by 23%.The measured results show that the impedance bandwidths for S11<-10 dB reach up to 120 MHz (2.49～2.61GHz). Meanwhile, the highest gain of the antenna is 2.5 dBi. It can be used in the wireless communication.

Key words:bow-tie microstrip antenna; impedance bandwidth; antenna gain

文章編號(hào):1671-7449(2016)03-0227-04

收稿日期:2015-10-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271160)； 山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014021021-1)

作者簡(jiǎn)介：張壹(1975-)， 男， 博士生， 主要從事射頻與微波通信研究.

中圖分類號(hào):TN821+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.03.008