S波段微带宽频带贴片天线设计

摘 要

本文利用微波天线的设计技术，同时结合某种无线设备的相关指标要求，设计了一种工作在S波段的微带宽频带天线，在设计工程中，为了拓宽频带宽度，采用E型贴片来进行设计，并对E型贴片的开槽尺寸的确定方法进行了相关的讨论。同时在设计中采用SMA接头，最后利用电磁场仿真软件HFSS对设计的天线进行仿真，结果为：天线的工作频率满足：2.05-2.35GHz，带内驻波：≤1.5，正交极化：优于15dB。

【关键词】微带天线 线极化 E型贴片 宽频带

微带天线具有低成本、低剖面、轻重量、易于共形等诸多优点，被广泛地应用于各种通信系统。但微带天线有其固有缺陷，即带宽比较窄，一般只有5%左右，因此展宽微带天线的带宽具有十分重要的意义。目前，随着微带天线的应用越来越广，对于如何展宽天线的带宽已经出现了很多有效的方法，其基本方法有以下几种：

（1） 增大微带介质的厚度；

（2）降低微带介质的介电常数；

（3）采用有耗介质；

（4）附加阻抗匹配网络等。

其中最具代表的足附加寄生贴片和表面开槽的方法。前两种方法制作起来比较简单，容易加工；第三种方法以天线增益的降低为代价；第四种方法需要设计宽带匹配电路，电路结构复杂，制作难度大。本文这个天线频带就比较宽，仅靠单个贴片很难实现的，通过查阅相关资料，我们决定采用E型贴片来扩展带宽，采用双侧结构来提高增益。同时设计了合理的馈电结构，通过仿真调整各个参数优化设计，得到了能满足应用需要的天线设计模型。

1 天线结构设计

本设计中的微带天线采用E型贴片的结构来实现。该模型的基本结构如图1所示。

该天线主要由金属底板、E型辐射贴片和寄生辐射单元组成，两层辐射元均印制在厚度为1mm的FR4介质板上。底板与下层之间、下层与上层印制板之间分别用厚度为h1和h2的空气层隔开，并在四周用加工的FR4材料结构很好地支撑。天线通过探针对下层的E型贴片馈电，E型贴片通过耦合作用激励上层的寄生元。E型贴片长为L，宽为W，贴片上两条间距为Ps的对称窄缝长度Ls，宽度Ws，中间凹陷深度s，寄生贴片长度Lp，宽度Wp。而寄生辐射单元如下方法设计：

1.1 基片的选择

基片材料板一般由低损耗介质单面或双面敷铜、敷铝、敷金组成。基片材料一般有聚四氟乙烯、聚苯乙烯、陶瓷等，选择各种基片，由工作频率及应用条件所决定。例如，低频带天线则要用高介电常数基片，以减小尺寸。选择基片时应考虑基片的多种性质：介电常数和损耗角正切以及他们随稳定和频率的变化，均匀性，稳定系数和稳定范围，天线尺寸随工艺过程及温度和湿度变化的稳定性，基片厚度的均匀性等，此外还有抗化学性，拉伸强度及结构强度，柔韧性，可加工性，抗冲击性，可成形及可粘合性等。

1.2 单元宽w

根据要求的工作频率f和基片厚度h可用文献[3]中的公式设计出高效率贴片的宽度：

当选用小于上式的宽度时，辐射效率将降低。而选用大于上式宽度时，虽然辐射效率较高，但这时将产生高次模，从而引起场的畸变。

1.3 单元长度L

矩形微带元的长度一般为λg/2，λg是等效介质中的波长：

2 仿真结果

图2所示是利用高频电磁场仿真软件HFSS建立的天线仿真模型。

根据设计要求，天线的极化方式是线极化，同时带内驻波要不大于1.5，通过仿真和优化，基本上满足要求，图3所示为天线的最终尺寸。

通过HFSS仿真软件获得比较理想的驻波、交叉极化以及增益，具体的参数结果如图4～6所示。

由仿真结果可以看出，在要求的频带内，驻波比均在1.4以下，交叉极化也满足了要求，在要求的频带里增益全都在7.1上8以下。通过分析相关参数，由于带宽高于10%，属于宽带微带天线，而我们所仿真的结果显示这种E型贴片的确拓宽了带宽，但同时我们也发现它的增益最高也只有7点多，很难达到高增益，如果我们只是要拓宽带宽，选择E型贴片可以完成要求，但如果要做到宽频带高增益，我们就应该寻求其他方法，因为E型天线很难达到高增益。

3 结论

本文给出了一种工作在S波段的微带宽频带天线的设计过程。天线采取同轴馈电，利用E型贴片以及多层结构来拓宽带宽。同时本文利用行业里较为常用的高频电磁仿真软件HFSS验证仿真的可行性，并为下一步实物的制作提供了参考数据。此外在本文还反映了一个问题就是E型贴片天线的增益不高，但是在扩宽频带方向有很好的效果，如果在增益要求不是很高的情况下可以考虑用这种方法来展宽频带。

参考文献

[1]付永庆，柯林，王玉峰.三层宽频带微带天线的设计[J].弹箭与制导学报，2006，26（04）：304-306.

[2]王玉峰，周汀，崔景波，林鑫超.宽频带E形层叠微带天线设计[J].无线学报，2008（01）：181-184.

[3]魏文元，宫德明，陈必森.天线原理[M].北京：国防工业出版社，1985.

[4]闵刚，武永刚.基于HFSS的双层宽带微带贴片天线的研究[J].电子技术（上海），2009（06）：65-66.

[5]Sajid M.Asif，Adnan Iftikhar，Saeed M.Khan，Muhammad Usman，Benjamin D.Braaten. An E-shaped microstrip patch antenna for reconfigurable dual-band operation[J].Microw.Opt. Technol.Lett.，2016，Vol.58（06）.

作者简介

方婕（1988-），女，山西省运城市人。硕士学位。现为晋中学院信息技术与工程学院助教，从事嵌入式、高频电子电路研究。

作者单位

晋中学院 山西省晋中市 030600