小型宽带微带天线的设计研究*

2012-06-11谢泽会王玉琴郝双洋赵红梅

电信科学 2012年2期

谢泽会，王玉琴，郝双洋，赵红梅

（1.郑州轻工业学院电气信息工程学院郑州450002;2.郑州大学教育技术中心郑州 450001;3.中国联合网络通信有限公司河南分公司郑州450045）

1 引言

随着无线通信技术的发展和电子产品应用的普及，对天线提出了更高的要求，主要体现在频带的范围更广，体积更小，便于安装、架设和携带，同时具有较高的效率。然而，在较低频段，传统的半波天线尺寸仍然太大，带宽仍然太窄（只有0.7%～7%），解决上述问题对于军事或民用都有着重大的意义，小型化宽带微带天线的研究仍是一个热点[1]。

微带天线自20世纪70年代初期研制成功以来，以其体积小、重量轻、低剖面、易共形、制造简单、成本低、易与微带线路集成等一系列优点，越来越受到人们的重视，其发展更趋成熟化，得到了广泛的应用[2,3]。参考文献[4]设计了一种UHF频段RFID阅读器的小型化天线，体积为70 mm×50 mm×50 mm，由于谐振频率为 915 MHz，体积不算太大，但S11<-10 dB时的阻抗带宽只有30 MHz，S11为回波损耗，普通微带天线的阻抗匹配带宽最高只有10%，因此不能用于宽带工作。微带天线中的单极天线不仅具有以上特点，还能够通过其结构及贴片形状等特殊技术使其具有超宽带的辐射特性，且能使体积变得更小，因此渐渐成为研究的焦点[5]。

[6]采用了传统的单极天线结构，该天线具有大约30个倍频程的阻抗带宽和方向图带宽，但采用的接地板与辐射体垂直，大小为80 mm×80 mm，体积太大，不易于集成；参考文献[7]仍采用单极天线模型，且将接地板和辐射体设计成共面结构，但辐射单元为矩形，天线的大小为 42 mm×39 mm。

本文设计了一款新型的宽带小型平面天线，该天线将立体圆盘单极天线改为平面结构，中心谐振频率为7.3 GHz，在3.2 GHz（S11<-10 dB）带宽内很好地实现了阻抗匹配，且天线尺寸大小仅为17 mm×16 mm，结构简单，加工方便，具有较大的实用价值。

2 单极天线的理论基础

传统单极天线由一块金属地板和垂直于金属地板的辐射体金属片组成。辐射体金属片形状有矩形、圆形、椭圆形、三角形等。由于其是三维结构，不能满足系统集成化要求，因此有人提出将金属辐射片和地板结构同时印刷在电路板上，称之为平面单极天线，这样天线的体积得到减小，同时还可以通过改变辐射体的形状和接地板的结构来改变天线的辐射性能。

分析单极天线的辐射机理时一般采用近似等效法，下面以圆形单极子为例进行分析。理论上将半径为R的圆片单极结构近似等效为高为l、半径为a的短圆柱振子，等效模型如图1所示。其下限频率的确定方法如下。

图1 圆柱体近似法等效

将圆面积等效为短圆柱振子的表面积，将圆片直径2a等效为圆柱振子的高度 l，即 πR2=2πal，短圆柱振子的高度l与波长λ的对应关系为：l=0.24λF，其中考虑馈电间距g，则圆盘单极天线的最低谐振频率为fL=；如果考虑介质材料的影响，则最低谐振频率最合适的表达式为，式中k与的性质类似，εe为等效介电常数。

参考文献[8]提出对于常用介电常数εr为4.4、厚度为1.6 mm的FR4介质，k的经验值是1.15。若设计的天线的中心频率为7.3GHz，馈电间隙为g=1 mm，则R近似为4 mm。

3 天线结构设计

图2 天线结构

该小型宽带平面单极天线的结构示意如图2所示。该天线辐射单元采用0.2 mm铜板圆盘结构，铜板延伸出介质基片且与介质板平行，介质基片为相对介电常数为4.4、厚度为0.8 mm的FR4介质。增大介质材料的介电常数，有利于实现天线的小型化，但是介电常数过大，电场能量将会更多地集中在介质内部而难以辐射出去，导致带宽减小，且高的介质常数往往伴有高的介质损耗，这会降低天线的效率。介质基片背部为薄铜板接地板。该天线采用微带线进行馈电，馈线宽度为1 mm。

4 相关参数分析

该天线的回波损耗曲线如图3所示。可以看出，由于介质的影响，R=4 mm时谐振频率为8.3 GHz，谐振频率偏高，且f和R成反向变化，通过分析 R分别取 4 mm、4.3 mm、4.6 mm、4.9 mm、5.2 mm 的情况，显然 R=4.9 mm及5.2 mm时，中心谐振频率最接近7.3 GHz，考虑到天线的小型化需求，取R=5 mm。此时在6.3～9.5 GHz频率范围S11<-10 dB，阻抗匹配带宽接近3.2 GHz，远远大于500 MHz。