姚佩+張斌珍+段俊萍+孫玉潔

摘 要： 設(shè)計(jì)一種基于缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS）的三角形微帶天線，通過(guò)在三角形貼片表面和三角形接地面上分別嵌入冰晶狀槽和DGS實(shí)現(xiàn)雙頻操作，同時(shí)增加了天線的帶寬，并使用Ansoft HFSS軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真，天線覆蓋Wimax 3.5/5.5 GHz兩個(gè)頻段，對(duì)應(yīng)的10 dB回波損耗帶寬分別是9.1%（3.36～3.68 GHz）和1.8%（5.45～5.55 GHz）。此外，通過(guò)對(duì)介質(zhì)基板的形狀進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，與通常使用的矩形介質(zhì)基板相比，三角基板具有更好的阻抗帶寬和更小的體積。最后，對(duì)天線進(jìn)行加工和測(cè)試，在3.5 GHz和5.5 GHz頻段對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)帶寬是8%（3.38～3.66 GHz）和1.6%（5.44～5.53 GHz），測(cè)試與仿真結(jié)果基本一致。

關(guān)鍵詞： 三角形微帶天線； 缺陷地結(jié)構(gòu)； 三角形基板； 雙頻操作； Wimax； 冰晶狀槽

中圖分類號(hào)： TN823+.16?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）03?0006?04

Abstract： A triangular microstrip antenna based on defected ground structure （DGS） was designed. The slot in ice crystal shape and DGS are embedded on the surface of the triangular patch and triangular ground connection to realize the dual?frequency operation， which can extend the bandwidth of the antenna. The Ansoft HFSS software is used to simulate the antenna. The antenna covers the frequency bands of Wimax 3.5/5.5 GHz， and their bandwidths corresponding to 10 dB return loss are 9.1% at 3.36～3.68 GHz and 1.8% at 5.45～5.55 GHz respectively. In comparison with the commonly?used rectangular substrate， the triangular substrate has more perfect impedance bandwidth and smaller size. The antenna was processed and tested. At 3.5 GHz and 5.5 GHz frequency bands， the corresponding measured bandwidths is 8% at 3.38～3.66 GHz and 1.6% at 5.44～5.53 GHz， which are consistent with the simulation results.

Keywords： triangular microstrip antenna； DGS； triangular substrate； dual?band operation； Wimax； ice crystal shaped slot

0 引 言

微帶天線[1?2]是在一塊厚度遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)的介質(zhì)基片的一面敷以金屬輻射片、一面全部敷以金屬薄層作接地板而成；輻射片可以根據(jù)不同的要求設(shè)計(jì)成各種形狀。微帶天線以其質(zhì)量輕、體積小、加工簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)共形等優(yōu)勢(shì)獲得了廣泛研究與應(yīng)用。但微帶天線的不足在于工作頻段窄，表面波損耗嚴(yán)重，天線輻射效率低，易產(chǎn)生諧波和雜散波分量，對(duì)介質(zhì)基板的影響敏感，易產(chǎn)生天線性能的變化等。以往的研究[3?5]對(duì)于輻射貼片的設(shè)計(jì)通常使用較為規(guī)則的形狀，如矩形、圓形或方形，相比于這些形狀的輻射貼片，三角形輻射貼片具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、易于激發(fā)高次諧波等優(yōu)勢(shì)[6?7]。微帶天線實(shí)現(xiàn)多頻操作的方式有很多，如使用諧振交疊技術(shù)的多層微帶貼片天線，加載短路探針或開(kāi)槽改變天線表面電流路徑等。本文設(shè)計(jì)的小型三角微帶天線采用在貼片表面開(kāi)槽的方式增加天線的諧振頻段，步驟簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。缺陷地結(jié)構(gòu)（Defected Ground Structure，DGS）[8]與傳統(tǒng)的地面結(jié)構(gòu)相比不僅尺寸小、帶寬好，且能夠激發(fā)額外的諧振模式，對(duì)于微帶天線性能的優(yōu)化具有重要意義。微帶天線容易產(chǎn)生諧波和雜散波，造成天線性能的降低。缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS）通過(guò)在微帶天線接地面上蝕刻出缺陷圖形[9?11]，擾亂地面上的傳導(dǎo)電流分布，從而在較寬頻帶內(nèi)抑制電磁波的傳播，產(chǎn)生較寬的阻抗特性，使之存在截止頻率和諧振頻率，這是對(duì)傳統(tǒng)微帶結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，常用的DGS結(jié)構(gòu)有啞鈴型、六邊形、螺旋型等[12]。

微帶天線的帶寬[13?14]一般為2%～5%，無(wú)法滿足使用者的要求，本文設(shè)計(jì)了一種可以增加三角形微帶天線帶寬的方法，將普遍使用的矩形基板替換為與貼片形狀相似的三角形介質(zhì)基板，經(jīng)過(guò)HFSS建模仿真比較后發(fā)現(xiàn)三角形介質(zhì)基板[15?17]比矩形基板在帶寬和尺寸上更有優(yōu)勢(shì)。

1 基本原理

1.1 天線結(jié)構(gòu)

基于缺陷地的小型三角微帶天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，將邊長(zhǎng)為的等邊三角形輻射貼片印在背面有不完整導(dǎo)體接地板的邊長(zhǎng)為的三角形介質(zhì)基板上，基板厚度為=1.6 mm、相對(duì)介電常數(shù)為4.4。三角形介質(zhì)基板與三角形輻射貼片的中心重合。在三角形貼片中心嵌入尺寸為×的冰晶槽，天線采用同軸饋線進(jìn)行饋電，饋電點(diǎn)在冰晶槽的延長(zhǎng)線上。天線的接地面采用缺陷地結(jié)構(gòu)，在冰晶槽的正下方開(kāi)一個(gè)直徑為的正六邊形槽。endprint

1.2 原 理

根據(jù)腔模理論可知貼片表面電位為為貼片到接地板的距離，即貼片下電場(chǎng)為零的點(diǎn)就是貼片的零電位點(diǎn)。TM10主模的零電位軌跡如圖2所示，將TM10模電場(chǎng)分布繞軸旋轉(zhuǎn)可以得到TM10模的另外兩種電場(chǎng)分布和，三角貼片上的電場(chǎng)是三種電場(chǎng)的總和，三角形輻射貼片上的冰晶狀槽的中心位于貼片主模TM10的零電場(chǎng)點(diǎn)，饋電點(diǎn)在冰晶狀槽的延長(zhǎng)線上，隨著饋電位置的改變，各個(gè)電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)會(huì)有變化，對(duì)饋電位置進(jìn)行調(diào)整可以獲得理想的諧振點(diǎn)。

冰晶槽的長(zhǎng)度會(huì)影響貼片表面垂直和水平方向的電流路徑，有文獻(xiàn)中使用十字槽改變貼片表面電流路徑，從而操作天線的各個(gè)頻段，且使用冰晶槽延長(zhǎng)了各方向上的電流路徑，可以對(duì)微帶天線進(jìn)行多頻段的操作。當(dāng)增大的值，會(huì)使水平方向的表面電流路徑延長(zhǎng)，垂直方向的表面電流路徑雖然也會(huì)延長(zhǎng)，但幅度較小。相反的，減小的長(zhǎng)度會(huì)使垂直方向上的表面電流路徑明顯縮短，水平方向的電流路徑會(huì)小幅度的縮短。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

冰晶槽長(zhǎng)度對(duì)天線的影響如圖3所示，3.5 GHz和5.2 GHz頻段的諧振點(diǎn)隨的增大而減小，這是因?yàn)榈脑黾友娱L(zhǎng)了冰晶槽的長(zhǎng)度，同時(shí)，使沿水平方向的表面電流路徑延長(zhǎng)，從而使頻率減小。相比于僅在貼片上加載一個(gè)矩形槽或是十字槽，加載冰晶槽的優(yōu)勢(shì)在于多方向、多角度地改變了表面電流的路徑及分布，使天線在多頻段產(chǎn)生諧振。

DGS的性能是由其結(jié)構(gòu)決定的，結(jié)構(gòu)的改變會(huì)使微帶天線的性能產(chǎn)生變化。3.5 GHz時(shí)天線接地面表面電流路徑如圖4所示。由圖4可知，在3.5 GHz頻段的諧振點(diǎn)與地面的DGS尺寸大小有關(guān)，尺寸的改變會(huì)使天線3.5 GHz頻段的性能發(fā)生變化。DGS結(jié)構(gòu)的尺寸對(duì)天線性能的影響如圖5所示。由圖5可知，對(duì)5.5 GHz頻段的影響并不大，但3.5 GHz頻段頻點(diǎn)隨的增大而增大。

經(jīng)過(guò)綜合考慮及優(yōu)化后，天線最終參數(shù)如表1所示，并對(duì)天線進(jìn)行了加工和測(cè)試，圖6給出了天線回波損耗的仿真與實(shí)測(cè)曲線，實(shí)測(cè)3.5 GHz和5.5 GHz頻段對(duì)應(yīng)的10 dB帶寬分別為8%（3.38～3.66 GHz）和1.6%（5.44～5.53 GHz），由于測(cè)試時(shí)的一些干擾因素，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果有差異，但二者基本一致。

三角形微帶天線在3.5 GHz和5.5 GHz頻段的E面和H面仿真結(jié)果如圖7所示，三角形微帶天線雖然在體積的小型化上占據(jù)一定的優(yōu)勢(shì)，減小了兩側(cè)基板的使用面積，但由于介質(zhì)基板結(jié)構(gòu)的減小也使方向圖的全向性受到了一定程度的影響，但總體上仍能滿足輻射特性的要求。

3 分析與討論

三角形微帶天線對(duì)介質(zhì)基板的改變反應(yīng)較為敏感，會(huì)影響到天線的性能。本文提到的使用與貼片形狀相同的三角形介質(zhì)基板是經(jīng)過(guò)比較了其他形狀的介質(zhì)基板性能及結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)劣得出的結(jié)論。關(guān)于使用三角基板對(duì)三角形微帶天線帶寬的影響設(shè)計(jì)了與矩形基板的對(duì)照組，二者采用相同的介質(zhì)基板材質(zhì)，矩形介質(zhì)基板（介質(zhì)基板尺寸為60 mm×50 mm×1.6 mm）的天線1和使用三角形介質(zhì)基板的天線2，對(duì)它們的尺寸以及性能方面進(jìn)行分析比較。

由體積計(jì)算公式可知，使用三角介質(zhì)基板的天線2的體積約為天線1的顯然使用三角基板的天線結(jié)構(gòu)更為緊湊、小巧，有利于實(shí)現(xiàn)天線的小型化。圖8給出了天線1和天線2的回波損耗曲線，經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用三角介質(zhì)基板的天線2的阻抗帶寬明顯高于使用矩形介質(zhì)基板的天線1。 由此可知，使用三角形介質(zhì)基板的優(yōu)勢(shì)在于：形狀與貼片近似，能夠減小側(cè)翼的介質(zhì)基板體積；在減小微帶天線結(jié)構(gòu)尺寸的同時(shí)并未影響天線的性能，反而具有三角微帶天線的帶寬特性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)和測(cè)試了一種小型的三角形微帶天線，DGS的應(yīng)用不僅激發(fā)了諧振頻段，且增加了帶寬。三角介質(zhì)基板在減小尺寸的同時(shí)增加了帶寬，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化、多頻段和寬帶化。由于天線結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱和參數(shù)間的相互影響，天線5.5 GHz頻段帶寬較窄，可以通過(guò)進(jìn)一步調(diào)節(jié)改善。

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