一种小型化薄型微带圆极化天线的设计

任晞

（中国电子科技集团第十研究所四川成都610036）

一种小型化薄型微带圆极化天线的设计

任晞

（中国电子科技集团第十研究所四川成都610036）

文中设计了一种小型化薄型微带圆极化天线。应用HFSS仿真软件和理论计算公式分别对微带天线谐振频率与基片介电磁常数的关系进行了仿真分析和理论计算分析。结果表明，通过选取高介电磁常数，尤其是介磁常数μr＞1的介质基片可大幅度缩小微带圆极化天线的尺寸。通过HFSS仿真软件对微带天线馈电点位置以及微带贴片形式的优化设计，得到了一种驻波和轴比性能均较优的小型化薄型微带圆极化天线，其面积尺寸仅为常规微带圆极化天线的21%，而基片厚度仅为常规高介电常数微带圆极化天线的67%。

微带；圆极化；薄型；小型化；磁介电常数

微带天线［1］与普通微波天线相比，具有剖面低、重量轻、体积小、易于共形以及便于获得圆极化等优点，正日益受到人们的广泛关注。但当微带天线低频段工作时，其面积较大，使其不能适应通信系统向小型化、集成化方向发展的要求，从而限制了微带天线在便携式移动通信系统中的应用。因此，如何实现微带天线的小型化，已成为一个迫切的研究课题［2-3］。同时，为适应日益发展的广泛应用与需求，圆极化微带天线的设计技术同样备受关注。

迄今为止，微带天线小型化技术主要有：采用高介电常数基板、短路加载技术、开槽开缝技术、曲流技术等。通过在贴片上开C型缝隙，可使微带天线谐振频率明显降低，天线尺寸仅为传统天线的33%；采用铜箔将微带天线的部分端口封闭，从而改变了空腔内的电场分布，并可使天线尺寸大幅缩小；此外，在贴片表面加载十字分形缝隙的结构，可有效降低天线的谐振频率，达到减小天线尺寸的目的。

在圆极化技术方面，微带天线不仅发展了多种多样的圆极化技术，且产生了众多有效的宽带技术、多频段工作方式、方向图控制和介质覆盖等技术。诸如这些技术的核心均是围绕实现微带天线圆极化的同时如何展宽天线带宽、减小天线尺寸。其中不乏多种有效措施，如通过采用天线寄生单元、增加介质层厚度、减小介质相对介电常数、设计匹配网络和设计不规则形状贴片天线来展宽带宽；通过选用高参数的介质基片和对贴片中开孔等方法可缩小天线尺寸；选用高参数的介质基片，可成倍的缩小天线的尺寸。

普通微带圆极化天线的设计通常只考虑了基片介电常数的影响，即设计时只考虑了基片介磁常数μr=1的情况。如果为了缩小天线尺寸而基片介电常数选得过高，会引起天线带宽过窄和馈电点位置过于敏感等问题，从而造成微带圆极化天线小型化和宽带设计的困难。

磁性材料［4］工业经过四十年的建设和发展，特别是改革开放以来，发展速度举世瞩目，令人振惊，现已基本上形成了自身的产业体系。目前我国的磁性材料工业在产量方面已初具规模，虽然仍以中低端产品占据较大市场，高端产品的与国外先进国家相比，仍存在质量不稳定的问题，但随着磁性材料的发展，将磁性材料应用于天线小型化设计，是具有重要意义的。

由于磁性材料的介磁常数μr大于1，因此设计时必须考虑μr的影响。本文根据考虑了介磁常数影响后的微带天线修正设计公式［5］，计算得到一种以磁性材料为介质基片的微带圆极化天线。

通过对该天线贴片切角以及贴片中心加载圆环缝隙等方法，并利用HFSS高频仿真软件作参数优化分析，在保证驻波和轴比性能均较优的同时实现了天线的小型化和薄型化设计，其面积尺寸仅为常规微带圆极化天线的21%，基片厚度仅为常规高介电常数微带圆极化天线的67%。

1　理论分析

1.1理论计算

在给定介质基片特性参数（εe、μe）和天线谐振频率时，即可进行微带天线的设计。根据等效介磁常数μe的修正公式（1）～（3）算出μe。

其中

同时根据传统的计算公式εe=1+q（εr-1）计算出等效介电常数εe，将其与μe的乘积εe×μe替代传统公式中的εe。即传统公式中的ΔL由原来的

变为

相应的微带贴片的谐振长度b由原来的

变为

根据式（7）计算出天线尺寸后，再由实验经验公式（8）算出天线背馈的馈电点离贴片中心位置ρ0，并采用切角的形式以获得右旋圆极化微带天线。

1.2介质实际参数的确定

需要指出的是，在实际中，当选用带磁性的高介电介质作基片，并根据上述方法进行微带天线设计时，会发现天线在实测时会因其介质参数的不稳定而出现天线谐振频率偏移的现象，有的甚至偏离谐振频率几百兆，势必增加实际工程应用中调试难度。

因此，在采用高介电介质尤其是磁性材料设计时应了解介质的实际特性参数。如采用传输线测量，由于相位精度的影响同样会造成所测参数的不准确性。根据HAROLD A.WHEELER提出的在介质中平行带状传输线特性，文中可根据设计出的微带天线在实测的谐振频率推算出介质的实际特性参数。

由事先给定的天线谐振频率、介质基片特性参数可根据1.1节的设计方法计算所设计的微带天线的尺寸，并将该尺寸的微带天线进行实际测试，如实际测得的微带天线谐振频率偏移量较大，则可根据相关文献［1］中的设计公式反推出天线介质基片的实际特性参数，再根据1.1节的方法重新设计微带天线。

2　仿真分析

分别选用常用介质（εr=2.17、μr=1）、高介电常数介质（εr= 9.8、μr=1）以及介磁常数μr＞1的高介电常数介质（εr=7.6、μr= 1.29）作微带天线基片，按照公式（7）和（8）分别计算出3种介质基片对应的贴片尺寸，其中常规介质基片的贴片尺寸为38.6×38.6 mm2，高介电常数介质基片的贴片尺寸为17.7×17.7 mm2，介磁常数μr＞1的高介电常数介质基片的贴片尺寸均为17.6×17.6 mm2，3种基片的厚度分别为1.5 mm、3 mm、2 mm。

为了实现圆极化，文中所设计的微带天线采用单点馈电，并引入微扰“简并分离元”△S，即如图1所示，通过对微带贴片对角线上切角的方式。利用HFSS高频仿真软件参数优化法分别对3种微带天线的馈电位置和切角尺寸△S进行优化仿真，以获得良好的电特性。

根据相关文献［6］，通过对微带贴片中心开矩形缝隙和十字形缝隙的方法，可展宽圆极化微带天线带宽特性。

本文设计中，为了优化天线性能，对介磁常数μr＞1的高介电常数介质基片微带天线采用了贴片中心加载圆环缝隙的设计。3种天线的HFSS仿真模型如图1所示。

图13　种微带圆极化天线仿真模型

通过HFSS仿真，3种微带圆极化天线的驻波仿真曲线如图2。可以看到，介磁常数μr＞1的高介电常数（εr=7.6、μr= 1.29）微带圆极化天线，驻波特性明显优于常规圆极化微带天线。

图23　种微带天线的驻波仿真曲线

图3　介磁常数μr＞1的高介电常数微带圆极化天线轴比及增益方向图特性

3种微带天线的驻波仿真分析结果可看到，设计微带圆极化天线时，若仅在选取高介电常数的介质基片来缩小微带贴片尺寸的情况下，为了获得较好的带宽特性，通常会选取较厚的介质基片，这在导致天线方向图增益损失也较大的同时，还限制了天线在一些空间尺寸严格受限的平台环境中的应用。

文中所设计的介磁常数μr＞1的高介电常数（εr=7.6、μr= 1.29）微带圆极化天线整体性能较好，通过HFSS仿真优化分析可得，天线驻波带宽（≤3）和圆极化增益方向图带宽（＞0 dB）均可展宽到200 MHz。同时该天线的3 dB轴比带宽可达到近240 MHz。

经过优化设计后的介磁常数μr＞1的高介电常数（εr=7.6、μr=1.29）微带圆极化天线的贴片尺寸仅为17.6×17.6 mm2，较常规微带圆极化天线缩小了79%；通过贴片中心加载圆环缝隙的方法，在无需过厚增加基片厚度的情况下，即基片厚度仅为常规高介电常数微带圆极化天线的67%时，便可获得较好的电特性。

3　结束语

文中选用磁性材料作为微带圆极化天线的介质基片，通过贴片切角以及贴片中心加载圆环缝隙等方法，以及利用HFSS［9-10］高频仿真软件对贴片馈电点位置、切角尺寸以及贴片形式的优化分析，得到了一种驻波和轴比性能均较优的小型化薄型微带圆极化天线，为实现微带圆极化天线的小型化提供了一种有效可行的方法。

文中所设计的天线在缩小贴片面积尺寸的同时，不必过厚增加介质基片的厚度以展宽天线带宽，这对于一些严格要求天线安装空间尺寸的平台环境，具有明显的空间尺寸优势。

但需要指出的是，根据国内相关资料表明，磁性材料因其参数具有不稳定的缺点，在实际工程应用中，天线设计可能需要按照1.2节所描述的方法进行重复设计，势必会造成磁性介质在微带圆极化天线设计中应用的局限性。伴随今后磁性材料技术日趋成熟，此设计技术将有较大的发展空间。

［1］钟顺时.微带天线理论与应用［M］.1版.西安:西安电子科技大学出版社，1991.

［2］侯维娜，邵建兴，刘湘梅.一种新型小型化微带天线的分析与设计［J］.通信技术，2009，42（12）:22-23.

［3］韩日霞，熊君瑞，岳满枝.宽频化与小型化微带天线的研究与设计［J］.电子科技，2013，26（1）:66-68.

［4］陈国华.中国磁性材料工业回顾和发展前景［J］.通用元器件，1998，48（5）:38-40.

［5］Jame J R.Microstrip antenna theory and design［C］//The Institute of Electrical Engineers.London and New York，1981:67-87.

［6］温刚.新型宽频带圆极化天线［J］.电讯技术，2010，50（8）: 143-146.

［7］文耀彤，刘能武，张志亚.宽带高增益圆极化天线［J］.电子科技，2014，27（5）:56-58.

［8］王瑞涛，赵宇宁，丁君，等.一种新型宽带圆极化天线的分析与设计［J］.电子设计工程，2014（19）:47-50.

［9］陈鹏，曹沐昀.微带线不连续性补偿方法仿真研究［J］.电子科技，2013（3）：119-121.

［10］赵一飞，杨阳，杨洪亮，等.基于HFSS的小型圆极化GPS微带天线设计与仿真［J］.电子科技，2014（3）：91-94.

Design of a size-reduced laminar circular polarized microstrip antenna

REN Xi
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Asize-reducedlaminar circular polarizedmicrostripantenna has been introduced in this article.The relationship between the resonant frequency of a microstrip antenna and the parameter ofthe substrate has been analysed through the emulating of HFSS software and investigations of the theoretical formulary in this paper.The result shows that the size of the microstrip antenna will be hardly reduced with the increase of the parameter of the substrate，especially when μr＞1.A sizereducedlaminar circular polarizedmicrostripantenna has been realized which show good performance in VSWR and AR by optimality analyzing the chargingposition and the patchshape.The areas size of this antenna is only 21%of thetraditional circular polarizedmicrostripantenna，and the height size of this antenna is only 67%of the traditional circular polarizedmicrostripantenna which has high εr。

microstrip；circular-polarization；lamina；size-reduction；electromagnetic-parameter

TN99

A

1674－6236（2016）17-0104-03

2015-08-10稿件编号：201508039

任晞（1976—），女，四川成都人，硕士，工程师。研究方向：电磁场与微波。