矩形宽带微带天线的设计

方慧

摘 要：天线是现代通信系统的重要组成部分，在目前移动设备日趋小型化的趋势下，因为微带天线的体积小、重量轻，所以针对微带天线的研究应用成为了热点问题。一种矩形宽带微带天线被提出，它克服了微带天线带宽较窄的缺点，实现了宽带辐射。

关键词：微带天线；宽带；小型天线；带宽辐射

中图分类号：TN821；TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）04-00-02

0 引 言

20世纪70年代初期，人们成功研制出一种新型天线，这种天线被称作微带天线。微带天线分为三个大类，分别为微带贴片天线、微带缝天线和微带行波天线。其中，微带贴片天线[1-3]使用的频率较高，其特点是体积小、重量轻、效率高以及频率的选择性较好。但频率选择性较好既是一种优点，又是一种缺点，该特点导致天线带宽比较窄，具有一定的局限性。

1 宽带微带天线的设计

微带天线可以类比为一个封闭的谐振腔，其谐振特性能够等效于一个并联谐振电路，并具有高Q值[4-6]。总体来说，微带天线具有阻抗带宽较窄的固有缺点，这对其广泛应用产生了限制，因此需要扩展微带天线的带宽。近几年，人们主要采用增大基板厚度，降低介电常数，附加阻抗匹配网络，采用缝隙耦合馈电等方法来扩展微带天线的带宽。天线带宽根据微带天线输入端的电压驻波系数来确定，范围即电压驻波系数低于某一个特定值对应的频段，天线的带宽用微带天线的电压驻波比来表示[7，8]：

其中，Q=2pfWr/P，Wr=erV02/16pm0hf2（k0，a）2，P=Pr+Pd+Pc+PSw。Pd为导体损耗， Pc为介质损耗， Pr为辐射损耗，后三者与Pr相比可忽略不计，因此可得： Q>>（er/hm0）A，A为常数。

从公式（1）中可以看出，当微波天线的驻波比VSWR值一定时，改善天线带宽的根本途径是降低天线的品质因数Q，可以从以下几个方面入手：

（1）选择厚基片，辐射电导会随其厚度的增加而增大，辐射对应的Qr以及总的Q值会随之下降。不过该方法的作用有限，基片过厚导致基片厚度与波长之比过大，产生表面波激励，同时重量也会增大，占据空间随之增大。本文实验采用同轴电缆对微带天线进行馈电，而厚度的增大会导致探针的电抗相应增加，使得天线的效率下降。此外，er减小可使得介质对场的束缚减小，容易辐射，天线的储能也会随之减小，使得辐射对应的Qr变小，带宽变宽。但也存在局限，其最小值为1，等效于采用空气介质的情况。不过贴片单元和微带馈电的宽度都比较宽，辐射损耗需要得到抑制，相应的值比较大。铁氧体的基片材料能够采用改变磁场的方式来改善带宽，但其损耗过高。

（2）使用改变贴片形状的方式，使得储存的能量得到最大程度的辐射效能，如选用矩形环贴片或者圆形环贴片。矩形环贴片相对容易制作，本文选取矩形贴片来增加带宽。

（3）使用阶梯型的基板。因为两个辐射端口处的两个谐振器基板厚度不同，它们经过阶梯电容耦合会引起双回路现象[9]，所以基板形状的变化会使得频带带宽得以扩展。

（4）采用多谐振点的叠加来实现带宽的增加，既然一个微带天线贴片可以等效为一个并联谐振回路，多个贴片可以叠加多个相近的谐振频率从而实现带宽的增加。故可采用平面多谐振结构，即在同一个平面上拥有多个贴片，其中一片进行直接馈电，其他贴片为寄生贴片。多层结构即将两块或者更多的贴片附在不同介质片层上堆叠起来，其馈电方式分为电磁耦合型和孔径耦合型。可以通过在微带天线上加短路梢钉来调整馈电探针的位置，从而激励多种相近的谐振频段。线极化的微带天线带宽受制于阻抗带宽，使用馈线匹配技术可以降低其输入电抗，由此带宽得到了扩展。

2 宽带微带天线的仿真制作与测试

本节先通过CST仿真软件来进行正方形贴片天线的仿真，正方形贴片天线仿真图如图1所示，正方形铜片为25mm×25mm，放置于介质基板上，介质基板的长宽分别是59 mm和34 mm，厚度是1 mm，两者对称分布。从1 GHz到12 GHz取30个频率点在频域采样仿真，精度为10-6，使用宽带扫频模式，使用波导端口对同轴线进行馈电，最终得到的仿真结果如图2所示。S11位于-10dB以下的频率范围为1.86 GHz到4.89GHz，带宽大致为3 GHz，相对而言，带宽得到了一定扩展，仿真回波反射系数有两个较低值，其最低值超过了-30 dB。

进行正方形微带贴片天线的制作，图3所示即为本文所制的正方形贴片天线。该天线由两块同样大小的正方形铜贴片构成，馈电头通过在介质基板上打的孔与铜片相连，两端分别通过焊接的方式连接到介质基板的两块正方形铜片上，该介质基板即制作巴伦偶极子天线所使用的F4T。

最后进行实验，通过矢量网络分析仪测得该正方形贴片天线的回波反射系数，宽带微带天线回波损耗实测结果如图4所示。在2 GHz到8 GHz的频率范围内，其回波反射系数均低于-10 dB，在5 GHz以上时趋近于-10 dB，在2.5 GHz到4 GHz出头的频率范围内，其回波反射系数较低，其最低值趋近于-30 dB。总体来说，实物效果与仿真结果较为一致，带宽效果比较好，超出实验预期。

3 结 语

本文结合仿真实验实现了一种矩形宽带微带天线，仿真实现了3 GHz的带宽，同时实物实验结果很好地验证了宽带的特性。目前，除了实现天线宽频化，实现天线多频化、多极化也是人们研究的热点之一，希望本文能够为研究者们提供新的思路。

参考文献

[1]王雪敏，白玉，杨晓冬，等.一种新型小型宽带微带天线的设计[J].应用科技，2010，37（10）：57-60.

[2]汤洋.小型平面超宽带微带天线研究与设计[D].长春：吉林大学，2012.

[3]柳青.小型化宽带化微带天线[D].成都：电子科技大学，2008.

[4]官伯然，曹建伟.一种小型超宽带微带天线[J].微波学报，2011，27（2）：60-62，92.

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[6]贾登权.超宽带微带天线研究[D].成都：西南交通大学，2009.

[7]车仁信，程鑫，张坤武.宽带微带天线设计方法研究[J].大连交通大学学报，2005，26（1）：76-79.

[8]丁军.宽带微带天线单元及阵列研究[D].北京：中国科学院电子学研究所，2007.

[9]裴强.小型化多頻段微带天线的研究与设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2012.