一种W形小型化微带天线的设计与仿真

亓协兴 陈彦铮

摘 要：本文设计了一种W形结构的小型化微带贴片天线，通过在贴片顶端加载电容片，并且在电容片上加盖适当厚度的介质板来组成另一个辐射体，从而展宽天线的工作频带。利用电磁仿真软件Ansys HFSS对此天线进行了仿真设计与分析。结果表明天线参数表现良好，在1.92GHz～2.15GHz频带内达到11.4%的相对带宽（VSWR<2）。该天线整体结构紧凑简单、增益高、方向性好、成本低等优点，能够满足一般应用。

关键词：微带天线；W形结构；相对带宽；驻波比

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.103

0 引言

微带天线具有体积小、重量轻、低剖面、易与载体表面共形、制造工艺简单和成本低等诸多优点。由于其较高的工程价值，在移动通信、航天航空、导弹等领域得到了广泛的应用[1-2]。另外，室内短距离通信，比如蓝牙通信、射频识别、无线鼠标等都需要小型化天線[3]，这些需求给微带天线提供了广阔的应用平台。但是，微带天线也有频带窄、增益低等缺点，这些缺点限制了微带天线的进一步应用[4]。因而，拓展带宽、提高增益成为微带天线研究的关键问题。基于此，本文设计了一种W形小型化微带贴片天线。采用表面开槽的辐射贴片，贴片表面的电流路径发生弯曲，有效路径变长。因此，在保证贴片几何尺寸不变的情况下，采用W形的辐射贴片可以使天线谐振频率降低，实现天线的小型化；同时，在贴片的顶端覆盖电容片以及介质板来展宽频带。

1 天线的设计

经过优化，不断地调节如接地板、贴片、电容片的大小、厚度等参数，天线的结构和尺寸如图1所示。此天线采用两块介电常数为2.55的介质板，厚度为0.68mm；接地板的厚度为1mm；贴片、电容片的厚度均为0.033mm。该设计中采用同轴侧馈的馈电方式，并通过计算馈电片的大小，使辐射单元与馈电结构的阻抗匹配。从图1中可以看出，贴片形状为W形，贴片上覆盖有一块截去四角的正方形电容片，贴片与电容片平行且相距7.73mm，电容片上又覆盖了一块相同的介质板，使其和电容片又构成一个辐射体。所以从上到下，有两个辐射体，分别决定两个谐振频率点，起到展宽频带的作用。

2 天线的仿真分析

根据以上数据通过HFSS 软件对上述设计的天线进行仿真，得到天线的回波损耗S11、方向图和驻波比等仿真结果。

图2所示为天线驻波比。可以看出在1.92GHz～2.15GHz频段上驻波比小于2.0，符合大多数天线应用场合的要求；另外，驻波比有两个波谷值，表示两个谐振点。如对天线参数进行改变，使两个谐振点远离，则该天线可变为双频天线。

图3所示为天线方向图。从图中可以看出，天线的增益约为8dB，方向性非常好，副瓣模为零。该天线为半空间辐射，但可以做成天线阵列，扩展辐射范围。

3 总结

现代通信技术迅速发展对天线的性能要求越来越高。本文设计了一种W形小型化微带贴片天线，在1.92GHz～2.15GHz频段内天线参数表现良好，满足一般的设计要求。

本设计对微带天线的频带展宽提供了一个良好的思路，即通过增加谐振点来展宽天线的频带。

根据特定要求，此天线只要做适当的改动，即可做成双频或多频的天线；还可以通过增加W形贴片的数量，得到蛇形天线[5]，使性能进一步提高。

参考文献：

[1]房明明.浅谈圆极化微带天线[J].山东工业技术，2013（11）：225.

[2]彭菊红，王仕章，邱桂霞等.北斗宽波束“U”型槽双频微带天线的设计[J].计算机测量与控制，2018（03）.

[3]何蔚.小型化与宽频带天线技术研究[D].上海：上海交通大学，2008.

[4]李梅.折叠式新型宽带微带天线的工程设计[D].南京：南京理工大学，2008.

[5]许佳.小型LTCC天线的研究与分析[D].浙江：浙江工业大学，2004.

作者简介：亓协兴（1989-），男，山东聊城人，博士，讲师，主要研究方向：计算电磁学及天线应用。