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        一種新型寬頻雙頻段微帶天線設(shè)計與仿真

        2018-04-04 09:10:16張鵬丑修建王二偉劉立
        現(xiàn)代電子技術(shù) 2018年7期

        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進行仿真,從1~12 GHz對天線進行掃頻,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。

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