張鵬 丑修建 王二偉 劉立

摘 要： 提出一種新型的寬頻微帶天線，將天線結(jié)構(gòu)印制于玻璃纖維環(huán)氧樹脂基板上，借助電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13.0進(jìn)行仿真，該天線包含2.7～5.39 GHz，6.39～10.5 GHz兩個寬頻段，相對帶寬分別為67%和49%，低頻段可應(yīng)用于WLAN，高頻段可以應(yīng)用于X波段的通信。給出了反射系數(shù)[S11、]輻射方向圖和表面電流分布的仿真結(jié)果，分析了參數(shù)[R1，O，C]和[K]對回波損耗及帶寬的影響，該設(shè)計具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞： 寬頻帶； 雙頻段； HFSS； 微帶天線； PCB天線； 回波損耗

中圖分類號： TN82?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）07?0021?03

Design and simulation of a novel broadband dual?band microstrip antenna

ZHANG Peng， CHOU Xiujian， WANG Erwei， LIU Li

（MOE Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： A novel broadband dual?band microstrip antenna is presented in this paper. This antenna structure is printed on a fiber glass epoxy resin substrate， and simulated by means of electromagnetic simulation software Ansoft HFSS 13.0. The antenna includes the bandwidths of 2.7～5.39 GHz and 6.39～10.5 GHz， and their relative bandwidths are 67% and 49% respectively. The low?frequency band can be applied to WLAN， and the high?frequency band can be applied to the communication of X?band. The reflection coefficient [S11，] and the simulation results of radiation pattern and surface current distribution are given. The influence of parameter [R1，O，C] and [K] on the return loss and bandwidth is analyzed. This design has a certain reference value.

Keywords： broadband； dual?band； HFSS； microstrip antenna； PCB antenna； return loss

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代通信技術(shù)也不斷提升，對于電子通信設(shè)備來說，小型化成為其不斷的追求，處理信息的能力也日益智能化、寬帶化[1]。作為無線電通信、廣播、導(dǎo)航、雷達(dá)、測控、微波遙感、射電天文和電子對抗等各種民用和軍用無線電系統(tǒng)必不可少的設(shè)備之一的天線，正扮演著越來越重要的角色。天線的主要功能是在接收系統(tǒng)中完成電磁波與導(dǎo)行波之間的轉(zhuǎn)換或在發(fā)射系統(tǒng)中進(jìn)行相反的變換。微帶天線具有重量輕、體積小、剖面薄、散射截面小等優(yōu)點，十分常見，但頻帶窄一直是它的一個缺陷[2]。普通的微帶貼片天線的相對帶寬為[3]0.5%～3%，因此限制了微帶天線在工程上的實際應(yīng)用。為了擴(kuò)展微帶的天線頻寬，減小微帶天線尺寸[4]，同時考慮到在許多應(yīng)用中，人們希望天線能夠工作于兩個或者多個任意間隔的離散頻段，以實現(xiàn)更多的功能[5?6]，設(shè)計并仿真了一種新型寬頻雙頻段微帶天線，該天線印制于1.6 mm厚玻璃纖維環(huán)氧樹脂基板上[7]，采用同軸線饋電，基本實現(xiàn)了小型化、寬頻帶和雙頻段三者的統(tǒng)一[8]。

1 微帶天線結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的微帶天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，正面結(jié)構(gòu)大致是圓環(huán)輻射貼片中心嵌套一個矩形輻射貼片，其參數(shù)為[R1=]13 mm，[O=]25 mm，[K=]6 mm，[C=]15 mm，[W=]2 mm，背面是矩形參考地，其長度與基板長度相同，高度[H1=]11 mm，基板尺寸為40 mm×40 mm，其厚度[H=]1.6 mm。選用基板的材質(zhì)為玻璃纖維環(huán)氧樹脂，即常用的PCB電路板，成本低、制作簡單，其相對介電常數(shù)[εr=4.4，]損耗正切[tanδ=0.05]。

2 微帶天線仿真結(jié)果

如圖2所示，經(jīng)過HFSS 13.0進(jìn)行仿真，從1～12 GHz對天線進(jìn)行掃頻，發(fā)現(xiàn)其可用頻段為2.7～5.39 GHz，6.39～10.5 GHz，10 dB帶寬[9]分別為2.69 GHz和4.11 GHz。一般情況下，當(dāng)定義寬頻天線時，都采用美國1989 年美國國防高級研究計劃局（DARPA）的規(guī)定，要求其相對工作帶寬[10]≥25%。相對帶寬的計算公式如下：

[BW=2（fH-fL）fH+fL×100%≥25%]

式中[fH]和[fL]為天線工作頻段的上、下截止頻率。

經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，低頻段的相對帶寬約為67%和49%。而對于目前應(yīng)用廣泛的通信標(biāo)準(zhǔn)中，無線局域網(wǎng)（WLAN：2.4～2.484 GHz，5.15～5.25 GHz，5.725～5.825 GHz）的中間頻段、超寬帶（UWB：3.1～10.6 GHz）的大部分頻段以及X波段的通信（通常的下行頻率為7.25～7.75 GHz，上行頻率為7.9～8.4 GHz）都可以應(yīng)用到此天線。

為了進(jìn)一步了解天線的輻射性能，分別選取低頻段中5 GHz和高頻段中7 GHz的頻率點進(jìn)行仿真求解，觀察其表面電流分布，如圖3所示。圖3a），圖3b）分別為5 GHz和7 GHz時的表面電流分布圖。

圖4a），圖4b）分別為5 GHz和7 GHz時的二維平面增益方向圖。通過查看天線的三維增益方向圖，天線在求解頻率為5 GHz和7 GHz的最大增益[11]分別為4.54 dB和4.94 dB。

通過分析圖3可以發(fā)現(xiàn)，無論是5 GHz還是7 GHz的頻率點，大的表面電流分布主要集中在環(huán)形輻射貼片圓周上，且位置不同，而對于中間矩形輻射貼片的表面電流分布都比較小，說明其主要對應(yīng)的不是這兩個頻率點。從圖4二維平面增益方向圖可以看出，低頻段天線的全向性相對于高頻段要好，不存在裂瓣，高頻段天線增益在[xOy]面發(fā)生裂瓣[12]。

3 微帶天線結(jié)構(gòu)分析

為了進(jìn)一步研究天線結(jié)構(gòu)對其小型化和寬頻帶的影響，仿真改變其圓環(huán)輻射貼片半徑[R1、]圓環(huán)輻射貼片圓心高度[O]以及矩形輻射貼片長[C]和寬[K]對天線性能的影響，如圖5～圖7所示。

從圖5可以看出，當(dāng)圓形輻射貼片半徑[R1]從11～14 mm逐漸增加時，天線的諧振頻率不斷增多，諧振點對應(yīng)的反射系數(shù)不斷減小，13 mm時效果比較好，出現(xiàn)可用寬頻帶，14 mm時寬頻帶消失。如圖6所示，通過改變圓形輻射貼片高度[O，]當(dāng)[O=]24 mm時，不存在明顯的寬頻特性，當(dāng)[O=]25 mm和[O=]26 mm時寬頻特性比較明顯，但在[O=]26 mm時高頻段的可用頻段相對較窄。為了研究矩形輻射貼片的影響，選取不同的[C，K]組合，如圖7所示，其中紅、黑和綠三條曲線分別代表[C=]14 mm，[K=]5 mm；[C=]15 mm，[K=]6 mm；[C=]16 mm，[K=]7 mm時天線的反射系數(shù)[S11]隨掃描頻率的變化。通過觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)[C，K]不斷增大，即矩形輻射貼片不斷增大的過程中，天線低頻段基本沒有變化，主要影響高頻段的寬頻特性。

4 結(jié) 語

本文主要設(shè)計了一種新型的PCB微帶貼片天線，采用同軸線饋電。通過HFSS仿真軟件對天線模型進(jìn)行大量仿真試驗，最后得到了覆蓋2.7～5.39 GHz，6.39～10.5 GHz，相對帶寬分別為67%和49%的寬頻雙頻段天線，這款天線具有體積小、重量輕和易于大批量制作等優(yōu)點，對于實際工程應(yīng)用具有一定參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 王宸.多頻帶/寬頻帶/圓極化印刷天線及陣列的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013：4?5.

WANG C. Research on multiband/wideband/circularly polarized printed antennas and arrays [D]. Xian： Xidian University， 2013： 4?5.

[2] 王揚智，張麟兮，韋高.基于HFSS新型寬頻帶微帶天線仿真設(shè)計[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19（11）：2603?2606.

WANG Y Z， ZHANG L X， WEI G. Designing a novel broadband mocristrip antenna by using HFSS [J]. Journal of system simulation， 2007， 19（11）： 2603?2606.

[3] 劉建霞，孫曉玲，席鑫鑫. 基于HFSS新型寬頻帶微帶天線仿真設(shè)計[J].太原理工大學(xué)學(xué)報，2010，41（3）：248?251.

LIU J X， SUN X L， XI X X. Designing a novel broadband mocristrip antenna by using HFSS [J]. Journal of Taiyuan University of Technology， 2010， 41（3）： 248?251.

[4] 姜宇，肖鴻，劉興鵬，等.共面波導(dǎo)寬頻帶微帶縫隙天線的設(shè)計與分析[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2009，30（10）：1180?1184.

JIANG Y， XIAO H， LIU X P， et al. Design and analysis of a CPW?fed broadband microstrip slot antenna [J]. Journal of Harbin Engineering University， 2009， 30（10）： 1180?1184.

[5] CHEN H， YANG X， YIN Y Z， et al. Triband planar monopole antenna with compact radiator for WLAN/WiMAX applications [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters， 2013， 12： 1440?1443.

[6] 朱先成，陳明，陳笛.應(yīng)用于WLAN/WiMAX的多頻帶印刷單極子天線[J].強(qiáng)激光與粒子束，2015，27（11）：152?155.

ZHU X C， CHEN M， CHEN D. Multiband printed monopole antenna for WLAN/WiMAX applications [J]. High power laser and particle beams， 2015， 27（11）： 152?155.

[7] 張運啟，王亮，栗曦，等.一種新型寬頻帶全向天線的設(shè)計[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，41（4）：47?50.

ZHANG Y Q， WANG L， LI X， et al. Design of a novel broadband omnidirectional antenna [J]. Journal of Xidian Univeristy （natural science edition）， 2014， 41（4）： 47?50.

[8] 王雪敏.小型化寬頻帶微帶天線的理論研究與設(shè)計[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011：9?10.

WANG X M. Study and design of small broadband microstrip antenna [D]. Harbin： Harbin Engineering University， 2011： 9?10.

[9] 鐘順時.天線理論與技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015：51?53.

ZHONG S S. Antenna theory and technology [M]. Beijing： Electronic Industry Press， 2015： 51?53.

[10] 李晉琳.X波段寬頻帶圓極化陣列天線研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2014：7?8.

LI J L. Research on X?band broadband circular array antenna [D]. Xian： Xidian University， 2014： 7?8.

[11] 李明洋，劉敏.HFSS天線設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014：81?82.

LI M Y， LIU M. HFSS antenna design [M]. Beijing： Electronic Industry Press， 2014： 81?82.

[12] 潘勇，熊江，李潘.一種新型寬頻帶多頻微帶天線設(shè)計[J].電訊技術(shù)，2015，55（4）：390?394.

PAN Y， XIONG J， LI P. Design of a novel broadband multi?frequency microstrip antenna [J]. Telecommunication engineering 2015， 55（4）： 390?394.