一种新型超宽带贴片天线的设计研究

何小洋 张平平

摘 要：本文设计了一款新型的超宽带贴片天线，应用于卫星通信技术。仿真结果表明，天线的工作频带达到了5.1GHz，范围从10.5GHz到15.6GHz，相对带宽可达40%。频带上的VSWR小于2且天线具有良好的方向性和增益，能较好地应用于卫星通信和太空探索领域。

关键词：超宽带；贴片；卫星通信

中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）08-0055-02

Design and Research a Novel UWB Microstrip Patch Antenna

HE Xiaoyang1 ZHANG Pingping2

（1. Jiangxi Vocational College of Science and Technology，Nanchang Jiangxi 330200； 2. Jiangxi Vocational and Technical College of Information Application，Nanchang Jiangxi 330043）

Abstract： In this paper， a novel UWB microstrip patch antenna was design for satellite communication technology. Simulated results showed that the bandwidth of the antenna reaches 5.1GHz in the operating frequency range from 10.5GHz to 15.6GHz， it means a relative bandwidth of 40%.The VSWR was less than 2 in the frequency band and the antenna had good directionality and gain， and it could be better applied to satellite communication and space research.

Keywords： ultra-wideband（UWB）；patch；satellite communication

1 研究背景

近年来，无线通信技术得到了快速发展，目前较成熟的无线通信技术有手机通信、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等技术。目前，人们的生活已经离不开无线通信技术，其对通信的质量提出了更高的要求。天线作为无线通信系统的核心部件，起到接收和发送信号的作用，因此需要有更优良的性能，这就要求天线不仅要具有多频段工作的功能，还要具有低剖面、抗干扰能力强、适应环境能力强等优势，以满足人们对无线通信的需求。微带贴片天线因易于制作、低功耗、低剖面等优点而成为优选方案之一，其被广泛应用于军事和民用领域，如宇航和卫星通信、遥感技术等[1，2]。因此，加强对微带贴片天线的研究尤为重要。

微带贴片天线的介质板上有两个金属表面，一面是辐射面，另外一面作为电线接地端（GND）。介质板的材料有很多种，其介电常数也不尽相同，但我们一般选择玻璃纤维环氧树脂覆铜板（FR4），其介电常数为4.4。天线的馈电技术也有很多种，如同轴馈电、微带线馈电等。但是，低剖面天线也有不足之处，如带宽窄、增益低等。本文通过减小电线接地端面积大小的方法，改善微带贴片天线的带宽[3]，使其更好地应用于卫星通信中。

2 天线结构设计

本文设计了一款新颖的超宽带天线，图1为所设计天线的剖面图。图中给出了贴片、馈线、介质板和GND等位置。介质板采用的材料为FR4，介电常数为4.4，损耗正切tan[δ]=0.02，厚度为1.4mm。上方金属辐射片的厚度为0.5mm。天线的主视图如图2所示，后视图如图3所示。

3 天线的分析与仿真

在三维电磁仿真软件HFSS中，按照相应的尺寸大小构造模型，然后对天线进行仿真优化。为了了解天线性能，需要关心以下参数：频带宽度、回波损耗、增益、电压驻波比（VSWR）和方向图等。从图4可知，天线的中心频率为13.3GHz，此时的回波损耗S11为-17dB，天线的频带宽度可达5.1GHz，从10.5GHz到15.6GHz，相对带宽达40%。对于天线来说，VSWR一般越小越好，要求小于2。从图5可知天线的VSWR大小在整个工作频段范围内都介于1和2之间。图6为天线的三维增益方向图，从图6可知天线具有良好的增益性和全向性，因此这款所设计的天线能较好地应用于卫星通信、空间探索和射电天文学等。

4 结论

本文设计了一款新型的微带贴片天线，通过减小GND面积的大小，改善了天线的性能。仿真结果表明，该天线的工作频率范围从10.5GHz到15.6GHz，带宽为5.1GHz，相对带宽可达40%。在整个带宽内，VSWR都小于2，而且天線具有良好的增益和全向性。综上所述，这款天线具有优良的性能，能够应用于卫星通信和宇宙空间探索等领域。

参考文献：

[1]Sidhu E， Kumar A. Horse Shoe Shaped Stacked Microstrip Patch Antenna for WLAN， WiMAX and IMT Applications [J].An International Journal of Engineering Sciences，2016（17）：525-531.

[2]TANG M C. Compact UWB antenna with multiple Band-notches for WIMAX and WLAN [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2011（4）：1372-1376.

[3]石亚伟，陈孟刚，刘东卓.具有三阻带特性的新型平面超宽带天线研究[J].电子元件与材料，2013（4）：47-49.