一种新型超小型化天线

邓 曦， 刘运林， 史志玮， 陈 锋

（西南交通大学 电磁场与微波技术研究所，四川 成都 610031）

0 引言

微带天线具有重量轻、体积小、剖面薄、散射截面小等优点，并且微带天线在卫星通信、导弹遥测、多普勒及其它雷达等领域得到广泛应用[1]。但是传统微带天线半波导波长的谐振结构限制了其应用。为了减小天线的尺寸，一种常用的方法是采用高介电常数的介质基片。但是，这种减小天线尺寸的方法有很多缺点，例如由于表面波效应影响，辐射效率低，高介电常数的介质材料成本很高[2]。所以，其它一些文献提出可以在天线中加载短路探针[3]以提高天线的性能。另外，文献[4]提出在适当的位置调整天线的切口、空气腔体和馈电贴片的长宽可以调整天线的带宽和驻波比。现借助数值方法计算和模拟软件仿真，提出了一种新型的超小型化天线，天线的尺寸为16 mm×14.5 mm,天线在Z方向上具有很好的方向性。

1 天线结构

设计的倒F螺旋型天线的工作频率为f0=1 276 MHz,选取的接地板尺寸为10 mm×16.5 mm，天线通过50 Ω微带线馈电。微带线的长度为3 mm,宽度为0.5 mm。微带天线的辐射单元宽度为3 mm的金属贴片。该金属贴片围绕接地板旋转两圈，形成一种新型的天线辐射模型。在接地板(3 mm, 5.1 mm,-3 mm)处插入一半径为0.2 mm，相对磁导率为4 000的铁制探针，探针连接底层辐射贴片与接地板。另外,在接地板(7.5 mm,1 mm,0 mm)处开槽,L型槽宽度为0.5 mm,沿Y轴方向的长度为12.5 mm，沿X轴方向的长度为6.5 mm。天线的结构如图1所示。

天线模型采用空气介质。天线接地板的尺寸为a=16.5 mm,b=10 mm。天线高度h1=h2=3 mm,微带线的宽度L1=0.5 mm,长度W1=3 mm。辐射贴片的宽度W2=W4=3 mm。两平行辐射贴片之间的距离W3=3 mm。微带贴片辐射壁距离接地板边缘的距离X=Z=2 mm。短路针的半径为0.2 mm，短路针和接地板间的距离Y=2.8 mm。L型槽距接地板下侧的距离F=2 mm,L型槽的宽度L2=0.5 mm,沿长方向的长度c=13 mm,沿宽方向的长度d=6.5 mm。末端辐射单元距接地板上侧的距R=1 mm。

2 设计原理

具有特殊形状的贴片天线，通常可以实现天线的小型化和宽频带。文献[5]提出了一种倒置的“月牙”形天线模型，并采用微带线对其馈电。通过数值仿真和实验测量，该天线模型有很好的性能。现首先提出了一种新型的倒 F螺旋型天线模型。通过数值计算发现，该天线模型的最小驻波比(VSWR)为20.8，最大增益为-4.31 dB。该天线模型远远不能满足实际需要。一些文献[6-7]提出，插入短路探针可以进一步缩小天线的尺寸，降低天线驻波比，增大天线带宽，提高天线增益。文献[2]提出了一种新型的小型化微带天线的分析与设计，该文献分析了一种插入短路针的新型圆形微带天线。通过插入短路针，使天线在具有良好电特性的同时，减小了尺寸，并且增大了天线的阻抗带宽,提高了辐射效率。受此启发，通过数值计算和模拟软件仿真，在(3 mm, 5.1 mm, -3 mm)处插入半径为0.2 mm，相对磁导率为4 000的铁制短路探针，使天线的最小驻波比从没有探针时的20.8减小到插入探针后的1.16。但是，通过模拟软件仿真天线发现，即使插入短路针后，天线的增益仍非常低，为-4.31 dB。目前，提高天线增益的方法有很多，文献[4]中提到在接地板开槽来提高天线的增益。本设计在接地板的适当位置处开宽度为 0.5 mm的L型槽，使天线的增益得到大幅度的提高，达到1.9192 dB。通过接地板开槽，天线的增益提高了5.6倍。地板开槽能提高天线增益的原因是因为地板的槽向后辐射能量使地板与槽之间储存的能量降低从而降低了品质因数[8]。天线的品质因数。

当在地板的适当位置开槽后，槽的辐射能量使地板与槽之间储存的能量降低，天线总储能降低。根据上述公式，天线的品质因数因此降低。

3 结果分析

利用数值分析和软件模拟仿真，设计出天线工作频率为1 276 MHz的插有短路探针的超小型微带天线。天线的接地板开L型槽以增大天线增益，天线采用空气介质。对此天线模型用HFSS软件进行了模拟仿真。图2所示为1.2～1.3 GHz范围内加载短路探针前后天线回波损耗对比图。

通过对图2的比较发现，在加载了短路探针后，天线的回波损耗显著的下降。除此以外，天线回波损耗在图2所示的1.2～1.3 GHz范围内，因为插入了短路探针而显著下降。由此可见，在天线的适当位置处加载短路探针，能减小天线回波损耗和天线尺寸。

图3所示为插入短路探针后天线的回波损耗图。其中，回波损耗小于-10(S11＜-10)时的带宽为 9 MHz,天线工作频率为1 276 MHz。

图4所示为天线模型在XZ平面内的增益比较。其中，实线表示在接地板上开L型槽后天线的增益，虚线表示未开L型槽时天线的增益。通过对虚线和实线的对比发现，在加入了L型槽后，天线在XZ平面内的增益得到大幅度提高。在整个XZ平面内都具有很好的辐射性。

同样，图5所示为天线模型在YZ平面内的增益比较。其中实线表示开槽后天线的增益，虚线表示未开槽时天线的增益。通过对比发现，对接地板进行L型开槽，天线模型在YZ平面内的增益也得到了大幅度提高。其中，天线在 0°和180°具有很好的辐射性。因此，天线模型在 YZ平面内具有类偶极子辐射特性[9]。

4 结语

提出并分析了一种新型超小型微带天线。通过模拟仿真和优化设计，在天线适当位置处插入短路探针，降低了天线的驻波比。另外，在天线的接地板处加入一 L型槽，由于开槽后地板与槽之间储存的能量降低从而降低了天线的品质因数，因此天线的增益得到大幅度提高。提出的新型超小型天线有很小的尺寸和比较满意的增益，增益在XZ平面内具有良好的全向性；在YZ平面内具有类偶极子辐射特性。因此，该天线模型具有一定的实用价值。

[1] KEITH R C, JAMES W. Mink Microstrip Antenna Technology[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1981,29(01):2-24.

[2] 刘丹,史小卫,尹应增.一种新型的小型化微带天线的分析与设计[J].火控雷达技术,2003,32(09):34-37.

[3] 汪霆雷,朱旗,王少永.加载短路钉微带天线的理论分析[J].微波学报,2006,22(03):36-39.

[4] 刘颖,李萍.新型宽带容性馈电微带天线单元仿真设计[J].通信技术,2008,41(11):47-49.

[5] 施胜杰,郭辉萍.一种新型超宽带平面单极天线的设计[J]. 通信技术,2009,42(01):112-114.

[6] SANAD M．Effect of the Shorting Posts on Short Circuit Microstrip Antennas[C].USA:IEEE,1994:794-797.

[7] WATERHOUSE R B, TARGONSKI S D, KOKOTOFF D M,et al．Design and Performance of Small Printed Antennas[J]．IEEE Trans．Antennas Propagate,1998,46(11):1629-1633.

[8] 陈燕林,阮成礼.全向天线技术[EB/OL](2007-11-23)[2009-09-10].http://www.paper.edu.cn/index.php/default/releasepaper/con tent/16530.

[9] 贾登权,史志纬.一种新型超宽带微带天线[J].现代电子技术,2009(01):41-46.