不同形状微带贴片天线性能比较

王英东 ，张立娟 ，刘芳焕 ，赵全明

（1.河北工业大学 电子信息工程学院，天津 300401；2.河北工业大学 天津市电子材料与器件重点实验室，天津 300401）

0 引言

微带贴片天线具有重量轻、薄型化、生产成本低等优于其他天线的特点，并且易于与光电集成电路（OEIC）和微波单片集成电路（MMIC）兼容.由于这些极具吸引力的特征，研究人员对微带天线非常重视[1-2].近年来无线通信的广泛普及增加了对紧凑型宽带天线的需求，但是由于微带贴片天线自身高Q值的特点，使得其具有低增益和窄带宽的缺点.

为了克服固有的局限性，近年来很多学者已经提出并研究了多项技术，例如探针馈电天线，具有厚基板电路的贴片天线，堆叠的短路贴片和开槽贴片天线[3].本文所采用的是叠层微带线耦合馈电技术，天线包含3个导电层和两个电介质层.上层为辐射贴片，中间层为微带线馈电层，下层假设为无限大的理想接地板.耦合馈电的微带贴片天线具有两种不同介电常数的电介质层，将天线的3个导电层分割开来，并且上层电介质层具有较低的介电常数以降低贴片天线自身的Q值以展宽带宽.

微带贴片天线的辐射贴片有不同的形状，例如方形、六边形、矩形、圆形、椭圆形、圆盘扇形、圆环、三角形和环形部分[4]等等.在本文中，采用控制变量法，在保持其他条件相同的前提下，对等面积的正六边形、三角形和圆形3种不同形状辐射贴片的微带天线进行设计和比较分析.

1 天线设计

1.1 正六边形微带贴片天线

正六边形贴片相比于其他形状的贴片，其边缘的棱角变化缓慢，这就使得电流在贴片表面流过的时候更加平缓，这样的特性能够使得中心频点附近的频率更加满足对于谐振的要求，可以相对展宽带宽.这里所说的展宽带宽只是一个相对概念，即相对于其他普通微带天线可以适当展宽带宽.六边形贴片天线的谐振频率计算公式[5]如下

其中：fc为中心谐振频率；波速c=3×108m/s；Seff为六边形贴片的有效边长；ΔL为等效长度的变化量；εr、εeff、h、W分别为介质基片的相对介电常数、有效相对介电常数、厚度和六边形贴片的宽度.

1.2 三角形微带贴片天线

该设计采用的三角形辐射贴片为等边三角形，天线包含3个导电层和2个电介质层，馈电方式同样为微带线耦合馈电.三角形的中心位于电介质层中心靠上，通过改变等边三角形的边长a可以调节天线的谐振频率，其计算公式如下[6]

其中：kmn为谐振模式；b为三角形贴片的边长.

1.3 圆形微带贴片天线

其中，R和Re分别为圆形贴片的半径及有效半径.

1.4 微带线

由于微带馈线法制作简单，可以在介质基板上通过蚀刻技术制作而成，而同轴线往往制作复杂，而且不利于天线的小型化要求，所以采用微带线馈电.该设计中采用50 Ω微带线馈电，宽度计算公式[8]如下

同时，为了抑制高次模的影响，微带线的宽度和高度要满足以下的条件

其中：w和q分别为微带线的宽度和高度；ZC为微带线的特性阻抗；λmin为最短工作波长.

2 天线模型及仿真

3种所设计的天线均为3个导电层（理想接地板、微带线、辐射贴片）和2个电介质层（上、下介质层），模型如图1所示.微带线通过耦合馈电的方式将电磁波耦合到顶层导电层的辐射贴片，从而将能量发射出去．2个介质层均为22 mm×22 mm的正方形，由于低密度的泡沫材料可以实现低损耗和高的辐射效率，所以上层电介质为硬质泡沫材料，介电常数εr1=1.07，厚度h1=0.8 mm；下层电介质为FR4环氧板，介电常数εr2=4.4，厚度h2=1 mm.采用50 Ω微带线馈电，长度为25 mm，宽度为1.8 mm.天线的接地平面不可能做到无限大的理想状态，因此所设计天线的接地板为有限金属平面，并且全部覆盖介质基板的背面.对于辐射贴片、微带线以及接地平面，所选材料都为金属铜.

3种天线的辐射贴片模型如图2所示.3个辐射贴片的表面积相等，均为260 mm2.

贴片各自的结构尺寸如下：正六边形贴片的宽度W=20mm，L=17.32mm；等边三角形的边长b=24.5 mm；圆形贴片的半径为R=9.1 mm，且3个贴片中心与介质层的中心重合.采用基于有限积分法的CST电磁仿真环境对所设计的3种不同形状辐射贴片微带天线进行仿真，得到的反射系数S11结果如图3所示.

仿真得到所设计天线在中心谐振频率下的电流分布如图4所示.由图可知，3种天线的电流都集中在辐射贴片的边缘区域，并且有些部分并没有辐射能量.因此可以通过分析天线电流分布来去掉不辐射的部分，这是实现天线的小型化的一种简单有效的途径.

图1 耦合馈电微带贴片天线示意图Fig.1 Schematic diagram of coupled microstrip patch antenna

图2 3种天线辐射贴片模型Fig.2 Models of three microstrip patch antennas

图3 3种微带贴片天线的S11Fig.3 S11 of three patch antennas

图4 3种天线的电流分布Fig.4 Current distribution of three antennas

对于所设计天线辐射特性的研究，采用平面方向图和立体方向图来分析.这里所提到的二维平面是以两组主切削形成的平面作为E面和H面，即φ=90°和φ=0°2个平面.参考在球坐标系下的天线几何结构，E平面是YOZ平面，H平面是XOZ平面.这里给出了E面、H面的方向图，如图5所示.3种天线的三维立体方向图如图6所示.由平面和立体方向图都可以明显看出，3种天线均为单一方向辐射，且辐射方向都在参考坐标系的Z轴正方向.

（1）对项目工程建立台账，在一个路桥项目中的账目是很多的。因为路桥的建造中用到的材料繁多，用到的机械种类也很多。在整个过程中产生很多的账目。对于这些账目的管理可以通过见了工程台账，来对这些项目进行细致的管理。对于工程中的工程材料等重要的账目进行主要的管理。对工程的整体进行账目管理，列出明确的账目清单。通过这种方式可以大大提高工程计量的准确性，减少损失。一个好的台账可以为工程项目提供账目支持。

图5 天线E面和H面方向图Fig.5 Radiation pattern of E-plane and H-plane

图6 天线的三维立体方向图Fig.6 3D radiation pattern of three antennas

天线增益随频率的变化曲线如图7所示.由图可以看出，圆形和六边形天线的增益随频率变化较平稳，而三角形天线的增益变化幅度却非常大.

天线总辐射效率随频率的变化趋势如图8所示.

3 结果分析

根据上面的仿真结果，均采用50 Ω微带线耦合馈电的3种不同形状等面积的贴片天线，正六边形、三角形、圆形微带贴片天线的中心谐振频率、回波损耗、阻抗带宽、相对带宽、增益、主瓣方向性系数等参数整理如表1所示.

图7 天线增益随频率的变化曲线Fig.7 The variation curve of gain with frequency

从图3以及表1均可以看出，在等面积情况下，当辐射贴片形状为正六边形时，天线具有最佳的带宽424.3 MHz，高于其他两种贴片天线.同时，在中心谐振频率处六边形贴片天线具有最小的回波损耗，达到了-37.43 dB，这充分体现了天线良好的匹配性能.六边形贴片天线增益虽然略高于圆形贴片天线，但也相差无几，因此就天线增益而言在实际应用中不存在明显优势.从表1中的主瓣方向性系数可以看出，六边形贴片天线的数值相对三角形和圆形贴片最大，说明六边形天线的能量辐射更集中，性能更加优越.由图8同样可以看出，在3种天线中六边形天线的辐射效率最大为0.863 3，三角形天线为0.805 2，圆形天线为0.838 2，这充分说明六边形自身消耗功率最小，能量辐射效率最优.圆形贴片天线的带宽以及方向性特性虽不如六边形天线，但是相对于三角形贴片天线来说，圆形贴片天线具有宽带宽、高增益以及强方向性等优越特性.三角形贴片天线具有窄带特性.

由图5中3种天线的E面和H面的方向图可以看出，3种天线存在同样一个缺点，就是主瓣的半功率角度都比较大，均在60°以上，这说明3种天线的能量辐射还是不够集中.在3种天线中，六边形天线在E面和H面的主瓣幅值最大，为8.04dB，半功率角度最小为64.3°.因此相对于其他两种天线来说，依然是六边形天线的辐射性能最佳.

对所设计的3种微带贴片天线进行了加工制作，实物如图9所示.由于低密度泡沫板不能用雕刻机进行机械加工制作只能手工切割，而且所设计泡沫板的厚度比较薄，因此只切割与辐射贴片同等大小的薄片来尽量减小尺寸误差.对加工的天线采用矢量网络分析仪Agilent N5244A对其S11参数进行测量，得到的数据在MATLAB软件中进行综合处理，所得的3种天线S11曲线比较图如图10所示.

由测量所得的3种微带天线的S11曲线比较图可以看出，3种天线的实测中心谐振频率较仿真结果来说都有漂移，并且实测频率要大于仿真结果.六边形天线实测频率大概在6.9 GHz左右，天线阻抗带宽的实测值为570 MHz，比仿真值要宽大概130 MHz.三角形天线的测量频率为5.7 GHz，带宽为260 MHz.圆形天线中心频点为6.8 GHz，带宽为380 MHz左右.实测频率和带宽与仿真结果存在差异的原因，是由于天线实际加工时雕刻机的精度存在一定的误差，导致天线的频率产生一定的飘移，但其S11曲线变化的趋势保持一致.

图8 天线总辐射效率随频率的变化曲线Fig.8 The variation curve of total efficiency with frequency

表1 3种贴片天线性能比较Tab.1 Comparison of performance for three patch antenna

图9 3种微带天线实物加工图Fig.9 Photograph of fabricated microstrip patch antennas

图10 3种微带贴片天线实物测量结果比较图Fig.10 Comparison of measurement results of the three microstrip antennas

因此，3种天线进行实物后测量的结果证实了仿真所得的结论，即所设计的3种可用于C波段的微带贴片天线，在辐射贴片等面积的前提下，与传统的三角形和圆形贴片天线相比，正六边形微带贴片天线具有更宽的阻抗带宽，因此在工程实际中可以得到更广泛的应用.

4 结论

设计并仿真实现了可应用于C波段的正六边形、三角形、圆形3种贴片形状的微带贴片天线，采用50Ω微带线耦合馈电，利用3个导电层和2个电介质层的叠层结构以及低介电常数的上层电介质，使天线的带宽得以展宽，使得天线的性能更加优化.对天线的实物进行了加工制作并进行实际测量，与三角形和圆形贴片天线相比，正六边形贴片天线具有更佳的带宽和辐射性能.

[1] Jahagirdar D R，StewartR D.Non-leaky conductor backed coplanar wave guide-fed rectangular microstrip patch antenna[J].IEEE Microwave and Guided-Wave Letters，1998，3：115-117．

[2]Pattnaik S S，Gianluca Lazzi，Om.P Gandhi.On the use of wide-band high-gain microstrip antenna for mobile telephones[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine 1998，40（1）：88-90．

[3]Herscovici N.Newconsiderations in the design of microstrip antennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2002，AP-46：6，807-812．

[4] Kiruthika R，Shanmuganantham T.Comparison of different shapes in microstrip patch antenna for X-band applications[C]//2016 International Conference on Emerging Technological Trends（ICETT），2016：1-6．

[5] 杨放，卫铭斐，王民，等.圆极化六边形微带贴片GPS天线[C]//2015年全国微波毫米波会议，2015：245-248．

[6]Fazal D，Khan Q U，Ihsan M B.Use of partial Koch boundaries for improved return loss,gain and sidelobe levels of triangular patch antenna[J].IEEE Electronics Letters，2012，48：15．

[7] Swati Shrivastava，Abhinav Bhargava.A comparative study of different shaped patch antennas with and without slots[J].International Journal of Engineering Development and Research，2014，2（3）：3306-3312．

[8] 钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安：西安电子科学大学出版社，1991：4-7．