任晞

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第十研究所四川成都610036）

一種小型化薄型微帶圓極化天線的設(shè)計(jì)

任晞

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第十研究所四川成都610036）

文中設(shè)計(jì)了一種小型化薄型微帶圓極化天線。應(yīng)用HFSS仿真軟件和理論計(jì)算公式分別對(duì)微帶天線諧振頻率與基片介電磁常數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了仿真分析和理論計(jì)算分析。結(jié)果表明，通過(guò)選取高介電磁常數(shù)，尤其是介磁常數(shù)μr＞1的介質(zhì)基片可大幅度縮小微帶圓極化天線的尺寸。通過(guò)HFSS仿真軟件對(duì)微帶天線饋電點(diǎn)位置以及微帶貼片形式的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了一種駐波和軸比性能均較優(yōu)的小型化薄型微帶圓極化天線，其面積尺寸僅為常規(guī)微帶圓極化天線的21%，而基片厚度僅為常規(guī)高介電常數(shù)微帶圓極化天線的67%。

微帶；圓極化；薄型；小型化；磁介電常數(shù)

微帶天線［1］與普通微波天線相比，具有剖面低、重量輕、體積小、易于共形以及便于獲得圓極化等優(yōu)點(diǎn)，正日益受到人們的廣泛關(guān)注。但當(dāng)微帶天線低頻段工作時(shí)，其面積較大，使其不能適應(yīng)通信系統(tǒng)向小型化、集成化方向發(fā)展的要求，從而限制了微帶天線在便攜式移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。因此，如何實(shí)現(xiàn)微帶天線的小型化，已成為一個(gè)迫切的研究課題［2-3］。同時(shí)，為適應(yīng)日益發(fā)展的廣泛應(yīng)用與需求，圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)技術(shù)同樣備受關(guān)注。

迄今為止，微帶天線小型化技術(shù)主要有：采用高介電常數(shù)基板、短路加載技術(shù)、開(kāi)槽開(kāi)縫技術(shù)、曲流技術(shù)等。通過(guò)在貼片上開(kāi)C型縫隙，可使微帶天線諧振頻率明顯降低，天線尺寸僅為傳統(tǒng)天線的33%；采用銅箔將微帶天線的部分端口封閉，從而改變了空腔內(nèi)的電場(chǎng)分布，并可使天線尺寸大幅縮??；此外，在貼片表面加載十字分形縫隙的結(jié)構(gòu)，可有效降低天線的諧振頻率，達(dá)到減小天線尺寸的目的。

在圓極化技術(shù)方面，微帶天線不僅發(fā)展了多種多樣的圓極化技術(shù)，且產(chǎn)生了眾多有效的寬帶技術(shù)、多頻段工作方式、方向圖控制和介質(zhì)覆蓋等技術(shù)。諸如這些技術(shù)的核心均是圍繞實(shí)現(xiàn)微帶天線圓極化的同時(shí)如何展寬天線帶寬、減小天線尺寸。其中不乏多種有效措施，如通過(guò)采用天線寄生單元、增加介質(zhì)層厚度、減小介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)、設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)和設(shè)計(jì)不規(guī)則形狀貼片天線來(lái)展寬帶寬；通過(guò)選用高參數(shù)的介質(zhì)基片和對(duì)貼片中開(kāi)孔等方法可縮小天線尺寸；選用高參數(shù)的介質(zhì)基片，可成倍的縮小天線的尺寸。

普通微帶圓極化天線的設(shè)計(jì)通常只考慮了基片介電常數(shù)的影響，即設(shè)計(jì)時(shí)只考慮了基片介磁常數(shù)μr=1的情況。如果為了縮小天線尺寸而基片介電常數(shù)選得過(guò)高，會(huì)引起天線帶寬過(guò)窄和饋電點(diǎn)位置過(guò)于敏感等問(wèn)題，從而造成微帶圓極化天線小型化和寬帶設(shè)計(jì)的困難。

磁性材料［4］工業(yè)經(jīng)過(guò)四十年的建設(shè)和發(fā)展，特別是改革開(kāi)放以來(lái)，發(fā)展速度舉世矚目，令人振驚，現(xiàn)已基本上形成了自身的產(chǎn)業(yè)體系。目前我國(guó)的磁性材料工業(yè)在產(chǎn)量方面已初具規(guī)模，雖然仍以中低端產(chǎn)品占據(jù)較大市場(chǎng)，高端產(chǎn)品的與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比，仍存在質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，但隨著磁性材料的發(fā)展，將磁性材料應(yīng)用于天線小型化設(shè)計(jì)，是具有重要意義的。

由于磁性材料的介磁常數(shù)μr大于1，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮μr的影響。本文根據(jù)考慮了介磁常數(shù)影響后的微帶天線修正設(shè)計(jì)公式［5］，計(jì)算得到一種以磁性材料為介質(zhì)基片的微帶圓極化天線。

通過(guò)對(duì)該天線貼片切角以及貼片中心加載圓環(huán)縫隙等方法，并利用HFSS高頻仿真軟件作參數(shù)優(yōu)化分析，在保證駐波和軸比性能均較優(yōu)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了天線的小型化和薄型化設(shè)計(jì)，其面積尺寸僅為常規(guī)微帶圓極化天線的21%，基片厚度僅為常規(guī)高介電常數(shù)微帶圓極化天線的67%。

1　理論分析

1.1理論計(jì)算

在給定介質(zhì)基片特性參數(shù)（εe、μe）和天線諧振頻率時(shí)，即可進(jìn)行微帶天線的設(shè)計(jì)。根據(jù)等效介磁常數(shù)μe的修正公式（1）～（3）算出μe。

其中

同時(shí)根據(jù)傳統(tǒng)的計(jì)算公式εe=1+q（εr-1）計(jì)算出等效介電常數(shù)εe，將其與μe的乘積εe×μe替代傳統(tǒng)公式中的εe。即傳統(tǒng)公式中的ΔL由原來(lái)的

變?yōu)?/p>

相應(yīng)的微帶貼片的諧振長(zhǎng)度b由原來(lái)的

變?yōu)?/p>

根據(jù)式（7）計(jì)算出天線尺寸后，再由實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式（8）算出天線背饋的饋電點(diǎn)離貼片中心位置ρ0，并采用切角的形式以獲得右旋圓極化微帶天線。

1.2介質(zhì)實(shí)際參數(shù)的確定

需要指出的是，在實(shí)際中，當(dāng)選用帶磁性的高介電介質(zhì)作基片，并根據(jù)上述方法進(jìn)行微帶天線設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)天線在實(shí)測(cè)時(shí)會(huì)因其介質(zhì)參數(shù)的不穩(wěn)定而出現(xiàn)天線諧振頻率偏移的現(xiàn)象，有的甚至偏離諧振頻率幾百兆，勢(shì)必增加實(shí)際工程應(yīng)用中調(diào)試難度。

因此，在采用高介電介質(zhì)尤其是磁性材料設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)了解介質(zhì)的實(shí)際特性參數(shù)。如采用傳輸線測(cè)量，由于相位精度的影響同樣會(huì)造成所測(cè)參數(shù)的不準(zhǔn)確性。根據(jù)HAROLD A.WHEELER提出的在介質(zhì)中平行帶狀傳輸線特性，文中可根據(jù)設(shè)計(jì)出的微帶天線在實(shí)測(cè)的諧振頻率推算出介質(zhì)的實(shí)際特性參數(shù)。

由事先給定的天線諧振頻率、介質(zhì)基片特性參數(shù)可根據(jù)1.1節(jié)的設(shè)計(jì)方法計(jì)算所設(shè)計(jì)的微帶天線的尺寸，并將該尺寸的微帶天線進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，如實(shí)際測(cè)得的微帶天線諧振頻率偏移量較大，則可根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［1］中的設(shè)計(jì)公式反推出天線介質(zhì)基片的實(shí)際特性參數(shù)，再根據(jù)1.1節(jié)的方法重新設(shè)計(jì)微帶天線。

2　仿真分析

分別選用常用介質(zhì)（εr=2.17、μr=1）、高介電常數(shù)介質(zhì)（εr= 9.8、μr=1）以及介磁常數(shù)μr＞1的高介電常數(shù)介質(zhì)（εr=7.6、μr= 1.29）作微帶天線基片，按照公式（7）和（8）分別計(jì)算出3種介質(zhì)基片對(duì)應(yīng)的貼片尺寸，其中常規(guī)介質(zhì)基片的貼片尺寸為38.6×38.6 mm2，高介電常數(shù)介質(zhì)基片的貼片尺寸為17.7×17.7 mm2，介磁常數(shù)μr＞1的高介電常數(shù)介質(zhì)基片的貼片尺寸均為17.6×17.6 mm2，3種基片的厚度分別為1.5 mm、3 mm、2 mm。

為了實(shí)現(xiàn)圓極化，文中所設(shè)計(jì)的微帶天線采用單點(diǎn)饋電，并引入微擾“簡(jiǎn)并分離元”△S，即如圖1所示，通過(guò)對(duì)微帶貼片對(duì)角線上切角的方式。利用HFSS高頻仿真軟件參數(shù)優(yōu)化法分別對(duì)3種微帶天線的饋電位置和切角尺寸△S進(jìn)行優(yōu)化仿真，以獲得良好的電特性。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［6］，通過(guò)對(duì)微帶貼片中心開(kāi)矩形縫隙和十字形縫隙的方法，可展寬圓極化微帶天線帶寬特性。

本文設(shè)計(jì)中，為了優(yōu)化天線性能，對(duì)介磁常數(shù)μr＞1的高介電常數(shù)介質(zhì)基片微帶天線采用了貼片中心加載圓環(huán)縫隙的設(shè)計(jì)。3種天線的HFSS仿真模型如圖1所示。

圖13　種微帶圓極化天線仿真模型

通過(guò)HFSS仿真，3種微帶圓極化天線的駐波仿真曲線如圖2?？梢钥吹剑榇懦?shù)μr＞1的高介電常數(shù)（εr=7.6、μr= 1.29）微帶圓極化天線，駐波特性明顯優(yōu)于常規(guī)圓極化微帶天線。

圖23　種微帶天線的駐波仿真曲線

圖3　介磁常數(shù)μr＞1的高介電常數(shù)微帶圓極化天線軸比及增益方向圖特性

3種微帶天線的駐波仿真分析結(jié)果可看到，設(shè)計(jì)微帶圓極化天線時(shí)，若僅在選取高介電常數(shù)的介質(zhì)基片來(lái)縮小微帶貼片尺寸的情況下，為了獲得較好的帶寬特性，通常會(huì)選取較厚的介質(zhì)基片，這在導(dǎo)致天線方向圖增益損失也較大的同時(shí)，還限制了天線在一些空間尺寸嚴(yán)格受限的平臺(tái)環(huán)境中的應(yīng)用。

文中所設(shè)計(jì)的介磁常數(shù)μr＞1的高介電常數(shù)（εr=7.6、μr= 1.29）微帶圓極化天線整體性能較好，通過(guò)HFSS仿真優(yōu)化分析可得，天線駐波帶寬（≤3）和圓極化增益方向圖帶寬（＞0 dB）均可展寬到200 MHz。同時(shí)該天線的3 dB軸比帶寬可達(dá)到近240 MHz。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的介磁常數(shù)μr＞1的高介電常數(shù)（εr=7.6、μr=1.29）微帶圓極化天線的貼片尺寸僅為17.6×17.6 mm2，較常規(guī)微帶圓極化天線縮小了79%；通過(guò)貼片中心加載圓環(huán)縫隙的方法，在無(wú)需過(guò)厚增加基片厚度的情況下，即基片厚度僅為常規(guī)高介電常數(shù)微帶圓極化天線的67%時(shí)，便可獲得較好的電特性。

3　結(jié)束語(yǔ)

文中選用磁性材料作為微帶圓極化天線的介質(zhì)基片，通過(guò)貼片切角以及貼片中心加載圓環(huán)縫隙等方法，以及利用HFSS［9-10］高頻仿真軟件對(duì)貼片饋電點(diǎn)位置、切角尺寸以及貼片形式的優(yōu)化分析，得到了一種駐波和軸比性能均較優(yōu)的小型化薄型微帶圓極化天線，為實(shí)現(xiàn)微帶圓極化天線的小型化提供了一種有效可行的方法。

文中所設(shè)計(jì)的天線在縮小貼片面積尺寸的同時(shí)，不必過(guò)厚增加介質(zhì)基片的厚度以展寬天線帶寬，這對(duì)于一些嚴(yán)格要求天線安裝空間尺寸的平臺(tái)環(huán)境，具有明顯的空間尺寸優(yōu)勢(shì)。

但需要指出的是，根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)資料表明，磁性材料因其參數(shù)具有不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中，天線設(shè)計(jì)可能需要按照1.2節(jié)所描述的方法進(jìn)行重復(fù)設(shè)計(jì)，勢(shì)必會(huì)造成磁性介質(zhì)在微帶圓極化天線設(shè)計(jì)中應(yīng)用的局限性。伴隨今后磁性材料技術(shù)日趨成熟，此設(shè)計(jì)技術(shù)將有較大的發(fā)展空間。

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Design of a size-reduced laminar circular polarized microstrip antenna

REN Xi
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Asize-reducedlaminar circular polarizedmicrostripantenna has been introduced in this article.The relationship between the resonant frequency of a microstrip antenna and the parameter ofthe substrate has been analysed through the emulating of HFSS software and investigations of the theoretical formulary in this paper.The result shows that the size of the microstrip antenna will be hardly reduced with the increase of the parameter of the substrate，especially when μr＞1.A sizereducedlaminar circular polarizedmicrostripantenna has been realized which show good performance in VSWR and AR by optimality analyzing the chargingposition and the patchshape.The areas size of this antenna is only 21%of thetraditional circular polarizedmicrostripantenna，and the height size of this antenna is only 67%of the traditional circular polarizedmicrostripantenna which has high εr。

microstrip；circular-polarization；lamina；size-reduction；electromagnetic-parameter

TN99

A

1674－6236（2016）17-0104-03

2015-08-10稿件編號(hào)：201508039

任晞（1976—），女，四川成都人，碩士，工程師。研究方向：電磁場(chǎng)與微波。