一种新型全向微带贴片天线的设计

刘 淼

（天津电子信息职业技术学院，天津300350）

一种新型全向微带贴片天线的设计

刘 淼

（天津电子信息职业技术学院，天津300350）

提出了一种在无线通信系统中应用的新型全向微带贴片天线，该天线具有低剖面和易于馈电的特点。天线的工作带宽为2 120～2 310 MHz，在中心频点2 215 MHz处的相对带宽为8.6％。天线向外辐射垂直极化波且在H平面获得与单极子天线相似的全向辐射方向图。天线在方向角平面上仿真的最大增益可达3.0 dB。在设计过程中使用Ansoft HFSS对天线模型进行仿真和优化。

全向的；微带贴片；单极子式；无线通信

0 引言

近几年来，对于像单极子一样具有线性极化各项均一的辐射方向图特性的天线有着广泛的需求。事实上，这种辐射方向图非常适合应用于无线通信系统。具有新结构和更新特性的单极子式辐射方向图天线研究越来越引起人们的关注。比如说电介质谐振天线就凭借着诸多诱人的特性吸引了大批研究者在之前的文章中广泛的探讨［1，2］。

由于微带贴片天线具有剖面低、制造成本低、重量轻、结构紧凑并且易于与馈电网络集成的优势。在过去的几十年，微带贴片天线广泛地应用在无线通信系统中，在无线通信中起着非常重要的作用［3］。目前应用较多的全向天线有2种：一种是单极子、偶极子形式，或者类似单极子形式［4，5］；另一种是采用面天线、圆片天线等［6，7］。这些天线有很多共同点，如结构简单、性能稳定等。

因此，本文重点研究那些与电单极子辐射方向图非常相似的线性极化微带贴片天线。

1 天线结构

本文提出的可在无线通信系统中应用的天线结构如图1所示。

图1 天线结构示意图

天线采用的是介电常数为2.2，厚度为1.52 mm的聚四氟乙烯介质板。天线地平面的Y向宽度为7.3 mm。辐射矩形贴片由同轴连接器馈电，辐射贴片的长为a1，宽为b1。贴片的尺寸对于天线的谐振频率影响非常大，长度a1是由式（1）得出：

式中，εe是有效介电常数，Δl是纠偏值，εe和Δl由式（2）和式（3）得出：

式中，b1为辐射贴片的宽度，通过以上公式的计算得出贴片的长度a1为45.1mm，通过仿真调整数值。

天线的工作特性由4个重要参数a1、b1、di和k100决定。在实际仿真过程中，通过固定其余3个参数，调整第4个参数的方法去了解每个参数对天线性能的影响。

以分别a1、b1、di和k100为变量时，天线在谐振频率的回波损耗如图2、图3、图4和图5所示。从图中看出，天线长度a1对于天线的谐振频率有着明显的影响。b1和di对于天线的阻抗匹配影响较小，反射系数随着k100变化而变化。

图2 变量为a1时的回波损耗

图3 变量为b1时的回波损耗

图4 变量为d1时的回波损耗

图5 变量为k100时的回波损耗

2 结果分析

通过调整这4个几何参数，得到了理想的频率、好的阻抗匹配及辐射性能。所设计的微带贴片天线具有低剖面、结构紧凑并且易于与馈电网络集成的优势。设计过程使用Ansoft HFSS进行仿真和优化。

天线最终的几何尺寸为a＝85 mm，b＝80 mm，k100＝1.1 mm，a1＝44 mm，b1＝53 mm，di＝7.3 m。天线采用的是介电常数为2.2的聚四氟乙烯介质板，具有良好的环境稳定性。天线的－10 dB下阻抗带宽在中心频点2 200 MHz的百分比带宽为8.6％，达到了190 MHz，如图6所示。H平面获得了一个很好的全向方向图，最大增益为3.0 dB，如图7所示。天线向外辐射垂直极化波且在H平面获得与单极子天线相似的全向辐射方向图。

图6回波损耗仿真示意图

图7 H、E平面的辐射方向图

（a）H平面（b）E平面

3 结束语

提出了一种新型的贴片天线，该天线辐射的垂直极化波可以获得与单极子天线相类似的辐射方向图。天线在－10 dB以下的输入阻抗带宽为190 MHz（8.6％），在方向角平面上获得与单极子天线相似的全向辐射方向图，同时最大增益可达3.0 dB。

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Design on a Novel Omnidirectional M icrostrip Patch Antenna

LIU Miao
（Tianjin Electronic Information College，Tianjin 300350，China）

A novel omnidirectionalmicrostrip patch antenna used in wireless communication system is proposed in this paper.The antenna has such characteristics as low profile and easy feeding.The operating bandwidth of antenna is 2120～2310MHz，and the relative bandwidth is 8.6％at the center frequency point of 2215MHz.The antenna radiates vertical polarization wave and has omnidirectional radiation pattern in H－plane，similar to thatofmonopole antenna.Themaximum gain of antenna is up to 3.0dB in azimuthal plane in the simulation.The antennamodel is simulated and optimized by using Ansoft HFSS in the design.

omnidirectional；microstrip patch；monopole like；wireless communication

TN82

A

1003－3114（2015）04－71－3

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.04.18

刘 淼.一种新型全向微带贴片天线的设计［J］.无线电通信技术，2015，41（4）：71－73.

2015－03－11

刘淼（1983—），女，讲师，主要研究方向：射频通信电路、MIMO－OFDM系统同步技术等。