一种新型U型槽宽频微带天线

李鹤言，李 萍

(1.武警工程学院研究生管理大队，陕西西安 710086;2.武警工程学院通信工程系，陕西西安 710086)

由于微带天线具有体积小、剖面低、重量轻、易馈电以及易与载体共形安装等优点，被广泛应用于测量和通讯的各个领域。但是，由于微带天线是一种谐振式天线，高Q特性决定了其带宽较窄。针对扩展微带天线的频带问题，已经有很多设计方法，如增加寄生单元、增加匹配网络、缝隙耦合馈电、采用多层结构等。文中利用加载U型槽的方法产生新的谐振点，从而达到增加微带天线带宽的目的。

1 天线结构设计

天线的基本结构如图1所示。该天线为单层矩形结构，因此保证了天线的低剖面性，且在实际应用中制作简单、成本低廉。介质层尺寸为L×W，厚度为h，相对介电常数为εr;沿天线纵轴方向加载两对称U型槽，横向槽长度为lf，竖向槽长度为wf，槽宽度为d。

设计通过辐射板上加载两U型槽，增加了电流路径，在边缘处产生反向电流激励，从而产生新的谐振点，当新的谐振频率与原谐振频率很接近时，微带天线的带宽便得到展宽。同时，基板厚度h和介电常数εr均对微带天线的带宽有影响。h越大，频带越宽，但厚度加大使得天线尺寸增大，破坏天线的低剖面，且会引起表面波的明显激励。εr与天线的尺寸成反比且其越高天线的带宽越窄。因此，设计中应综合考虑选择适当的基板介电常数与厚度。为便于天线组阵时功率的平均分配，采用一分二功分器结构，枝节参数利用TXline软件计算得出。

2 天线仿真分析

以图1的天线结构为基础，采用介电常数εr=2.94的介质材料，设计了一个中心频率在13.5 GHz的天线，并使用电磁仿真软件HFSS 13.0进行仿真分析。

图1 天线结构图

该天线可以产生两个谐振点，由于U型槽对微带天线频率的谐振点和带宽有很大影响，在此重点讨论U型槽不同参数对天线的影响。因为不希望多余的谐振点产生，故文中将两个U型槽的横向长度与竖向长度设为一样。为研究方便，设定其他的参数为定值，分别改变lf、wf及d的值以考察其对天线性能的影响。

当增加U型槽横向长度lf和竖向长度wf时，电流路径增加，谐振点位置随之变化，高、低频谐振点均向低频移动，且高频谐振点移动速度较快，如图2和图3所示。U型槽宽度d对低频谐振点带宽影响不大，只是发生了轻微的偏移，高频谐振点向低频移动，如图4所示。

优化U型槽各参数后，继而研究改变U型槽与贴片的相对位置以及在地板上的位置对天线各参数的影响。仿真得知，当介质板厚度h从1.316～1.716 mm以步进0.1 mm变化时，天线回波损耗较为明显，最大增益变化不大，天线在谐振点12.83 GHz及15.06 GHz的阻抗带宽与增益变化如表2所示。而两U型槽间距a以中心波长λ=21.4 mm为参考点左右各1 mm范围内变化时，天线回波损耗和最大增益几乎不变。

表1 天线参数取值

表2 不同h值天线参数变化

通过仿真分析，调节各参数使两谐振点最优组合，得到S11性能最好的结果，优化后天线参数设计如表1所示。

3 结束语

微带天线的窄频带特性限制了微带天线的大范围使用，文中通过Ansoft HFSS 13.0软件建立天线模型并进行仿真分析，提出了在天线辐射板上加开对称U型槽的优化方法，明显改善了天线的电性能参数。

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