一种新型高增益宽频带微带天线

蔺占中，孙 良

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

一种新型高增益宽频带微带天线

蔺占中，孙 良

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

设计并实现了一种高增益的宽带微带天线。利用加载反射腔技术使微带天线实现了定向的辐射，并采用增加寄生贴片来调节阻抗匹配和改善天线的辐射特性。应用上述原理，设计并实现了一种工作于5.85～7.18GHz的宽带微带天线，在工作频带内，电压驻波比小于2.0，增益不小10.5dB。文中介绍了天线的工作原理和设计思路，并给出了天线的仿真结果。

高增益；宽带；微带天线

无线通信领域中，天线是一个非常重要的组成部分。而微带天线具有低剖面、重量轻、量产成本低、便于设计等优点，在军事测控、遥测、遥感以及通信等诸多方面都得到了相当广泛的应用。随着现代通信技术的迅速发展，通信和雷达等设备对其整体性能、体积、损耗等要求越来越高，催生了许多新技术和新工艺[1]。在电路板集成技术的快速发展对小体积低剖面天线的需求之下，微带天线得到了迅速的发展。

自1953 年微带天线的概念被提出以来，微带贴片天线因其特有的体积小、重量轻、加工成本低等优点，广泛应用于各种军事和民用的通信及其它领域[2-3]; 但微带天线也有其缺点,如工作频带较窄、增益低等，大大限制了其应用范围。许多科研人员提出了各种结构的微带贴片形式，试图增加其工作带宽、提高其增益,优化天线的性能。Pozar在其论文中提出了耦合馈电形式的微带天线，这种方式与传统微带天线的馈电相比，可以减少馈电部分介质材料对天线带宽的不利影响，抑制了寄生辐射[4-5]。他在1991年又设计了一款形式的微带天线, 其结构为双层贴片,增加了天线的工作带宽[6]。Sun等人在2009 年设计了一种微带贴片天线，工作频率很宽, 是通过对微带贴片进行切角从而展宽了天线的工作频带，获得了16% 的带宽值[7]。随后又有科研人员对上述几种天线做了改进和优化, 对微带天线进行组阵提高了天线增益，但是其体积和带宽仍然没有得到满意的结果[8-9]。基于上述研究，本文设计了一款新型宽频带、高增益微带天线，对仿真结果进行了详细分析，结果表明该天线具有一定的实用价值。

1 微带天线的设计原理和结构

该微带天线结构如图1(a)所示，总共由反射腔、寄生贴片、辐射体和反射板这四部分组成。采用多层结构，由三层印制板和两层空气层组成。外壳是一个一面开口的长方体反射腔，其作用是形成单向辐射，使电磁波能量集中，以提高增益。另外三部分均为印制板结构。最上面一层为寄生贴片，在印制板上刻有两个等大的正方形寄生贴片，如图1(b) 所示其作用是改善为带天线的阻抗匹配和辐射特性。中间一层为辐射部分，印制板的上部除了两个矩形缝隙之外全部为金属涂覆层，印制板下部为E型结构，如图1(c)所示，其作用是主要的辐射体，上部缝隙对寄生贴片可以耦合馈电。最下面一层印制板是整层的金属涂覆层，起反射的作用，如图1(d) 所示。

(a) (b)

(c) (d)图1 微带天线结构框图

在上述原理的指导下，使用电磁仿真软件HFSS建立了天线的仿真模型，经过反复的仿真优化计算之后，得到了相对理想的计算。

2 微带天线的仿真分析

下面介绍对本文所述的微带天线的仿真分析。根据仿真结果加工了微带天线的实物。

在电磁仿真软件HFSS16中对该微带天线进行了仿真，给出了其电压驻波比的仿真结果。

由图2可见，在5.85～7.18GHz的频带范围内，微带天线的驻波不大于2.0，有两个谐振点，这种天线结构展宽了天线固有带宽，使天线的带宽达到了1.23个倍频程。

图2 微带天线的电压驻波比

此外，还对微带天线的辐射方向图做了仿真分析，如图3所示。

图3 天线辐射方向图仿真结果

图3中(a)(b)(c)分别为天线工作频率为5.85GHz、6.52GHz和7.18GHz时的辐射方向图曲线，其辐射特性达到了较为理想的结果。

3 结束语

通过采用加载反射腔和寄生贴片的技术，本文设计了一种多层印制板结构的宽带高增益微带天线，对所设计的天线进行实物加工，在中心频率6.52 GHz，相对阻抗带宽为123%，增益为10.5 dB。该天线具有宽频带和高增益的特性，可为雷达、通信、航空航天和电子对抗等领域天线的研发提供一定的工程参考。

[1] 孙晨华.天基传输网络和天地一体化信息网络发展现状与问题思考[J].无线电工程,2017,47(1):1-6.

[2] Targonski S. D，WaterHouserB，Pozar D．M．Designof wide-band aperture-stacked patch microstrip antenna[J]． IEEE Transactions on Antennas Propagation，1998， 46(9):1245-1251．

[3] Yang Wanchen，CheWenquan，Wang Hao．High-gaindesign of a patch antenna using stub-loaded artificial magneticconductor[J]． IEEE Antennas and Wireless PropagationLetters，2013，12:1172-1175．

[4] Pozar D M，Targonski S. D． A shared-aperture dualbanddual-polarized microstrip array[J]． IEEE Transactionson Antennas Propagation，2001，49(2):150-157．

[5] Ghassemi N，Mohassel J.R，Mohanna S，et al ．Awideband aperture-coupled microstrip antenna for S and Cbands[J]．Microwave and Optical Technology Letters，2009， 51(8):1807-1809．

[6] Frederic C，Pozar D.M．Millimeter-wave design ofwide-band aperture-coupled stacked microstrip antenna[J]．IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1991，39(12):1770-1776．

[7] 孙思扬，林欣，高攸纲，等．一种可展宽频带的微带贴片天线[J]．电波科学学报， 2009，24(2):307-310．

[8] 倪国旗，梁军，余白平.一种宽频带高增益16单元微带天线阵设计[J]．电讯技术， 2013，53(6):786-790．

[9] 梅立荣,张乃柏,马延爽,等.一种C波段宽带微带天线的设计与仿真[J].无线电通信技术, 2014,40(4):64-66.

A novel high gain and wideband microstrip antenna

LIN Zhan-zhong，SUN Liang

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081，China)

In this paper, a high gain and wideband microstrip antenna is proposed. By utilizing a reflector cavityto implementing the single direction radiation of the microstrip antenna, also, two parasitic patches were added to adjust the impedance match and to improve the radiation characters.Basing these theories, a wideband microstrip antenna which operates at the frequency bandof 5.85～7.18GHz is designed and implemented. During its operating frequency band, the voltage standing wave ratio is acquired less than 2.0, and the gain of more than 10.5 dB is acquired. Meanwhile, the antenna principle and design mentality are given, simulation results of the proposed antenna are also illustrated.

High gain; Wideband; Microstrip antenna

2017-02-20

蔺占中(1984-)，男，工程师,主要从事天线理论研究与设计工作.

1001-9383(2017)01-0040-04

TN911.7

A