一种C波段的矩形微带天线设计*

2018-10-15朱彦军

通信技术 2018年10期

朱彦军，杨硕

（太原科技大学电子信息工程学院，山西太原 030024）

0 引言

在通信系统中，微带天线具有体积小、重量轻、制造工艺简单、易于共形等优点。微带天线已广泛应用于卫星通信、飞行器控制、医疗器械和个人通信等领域。20世纪50年代初，Deschamps首次提到了微带天线这个概念，但是受当时技术条件的限制，微带天线并没得到实质应用[1-3]。直到20世纪70年代，随着通信技术和材料技术的突破，对天线体积、重量、剖面、空气动力学等因素的要求进一步提高[4]，微带天线才逐渐走向应用[5]。目前，在应用领域比较通用的微带天线大体上可以划分为三个类型——微带缝隙天线、微带行波天线和含有贴片的微带贴片天线[6-7]。典型的微带天线结构是由很薄的金属片在极小的相邻间隔中贴在介质面上，介质面的另一面是接地面。一般来说，微带天线的通常结构如图1所示，由介质基片、接地板和辐射元三部分组成[8]。

图1 矩形微带天线结构

随着各国5G频段规划的相继出台，C波段3.4～3.6 GHz的频段也正式成为5G发展的先行军。微带天线运行于C波段，能实现宽频带、高增益、高隔离度的同时，还能集成多种功能于一体。本文设计了一款能够工作在3.5 GHz的矩形微带天线，利用HFSS15.0软件进行了天线建模、仿真。仿真结果显示，该天线达到了C波段的矩形微带天线设计要求。

1 矩形微带天线的设计

本文设计的天线考虑到实际制作的性价比，矩形微带天线选用FR4为介质材料，其介质的介电常数εr=4.4，介质板的厚度为h=1.6 mm，矩形微带天线工作的频率为3.5 GHz，波长λ0=86 mm。

1.1 贴片参数计算

所设计的矩形微带天线的相关参数可以由下面的公式粗略计算得出[8-9]。

宽度W0计算公式为：

式中c为光速，c=3×108m/s；εr为介电常数。通过相关理论计算矩形微带天线的辐射贴片长度为Le，有：

式中，λg表示导波波长，有：

式中，λ0表示自由空间波长；εe表示有效介电常数，h为基片高度，且：

矩形贴片的长度L0为：

式中，f0为本文设计的矩形微带天线的频率，ΔL是等效的缩短长度，且有：

根据相关经验，介质基片的长度和宽度可以由式（7）和式（8）进行大致估算，实际的尺寸可以在仿真的时候进行具体调整。

通过公式可以计算出矩形微带天线的有效介电常数εe=4.0，贴片的宽度W0=26.08 mm，辐射缝隙的长度ΔL=2.19 mm，贴片的长度L0=21.4 mm。

1.2 馈电方式的选择

在天线的设计中，馈电方式会对天线的一些关键性能产生影响。在馈电方式选择上，不仅要考虑其性能优略，还要充分考虑其经济和现实技术层面的可行性[10]。常用的馈电方式有微带线馈电、同轴线馈电、槽电馈电、电磁耦合馈电、口径耦合馈电和共面波导馈电。其中，最常用的是微带线馈电和同轴线馈电。本文综合考虑了多种因素，最终选用微带线馈电方式。

微带线馈电又分为中心馈电和偏心馈电，如图2所示。本文首先选用中心馈电，在确定天线尺寸后，接入阻抗变换器。如果辐射场在某边发生变化，那么匹配的输入电阻也会发生变化，最后改变馈电点位置来获取最佳阻抗匹配。

图2 微带线馈电

1.3 微带线尺寸计算

通常来说，微带天线的边缘阻抗的取值范围为[100，400] Ω，但是这并不满足微波器的通用器件50Ω的要求。为了满足通用器件的要求，本文加入一段1/4波长阻抗转换器Z1：

本文通过HFSS自带的Antenna Design Kit，可以直接输入想要的频率，进而由软件计算出微带线的尺寸。其中，通过软件计算出的50 Ω的微带线的长和宽为W2=1.91 mm和L2=19.57 mm。加入1/4阻抗匹配的微带线的长和宽为W1=0.45 mm和L1=12.32 mm。进一步利用HFSS软件对矩形微带天线参数进行优化，得到天线参数如表1所示。