新式凹槽形缝隙超宽带微带天线的设计∗

于仕辉，娄文涛，董和磊，安文星

(1.天津大学微电子学院，天津 300072；2.中北大学仪器与电子学院，山西 太原 523808)

近年来，随着移动通信技术[1－2]的不断发展，频率资源的使用日益匮乏，通信系统对于宽带天线的需求越来越大，特别是FCC(美国联邦通讯委员会)于2002 年2 月将3.1 GHz～10.6 GHz 频段划归为民用超宽带频段后[3－5]，有关于超宽带天线的研究开始蓬勃发展起来。微带天线是一种谐振式天线，具有剖面低、结构简单、易集成的优点，但是它的固有缺点—阻抗带宽窄，限制了其在微波领域中应用。因此，如何将普通微带天线的带宽增大到UWB(超宽带)频段是目前亟需克服的难题。

一般来说有以下三种方法[6]可以增大微带天线的带宽:(1)减小品质因数Q[7](通过提高介质基板的厚度或者减小其介电常数)；(2)附加阻抗匹配网络[8]；(3)天线阵的设计[9]。第一种是通过加大介质基板厚度从而降低其品质因数，但是加大了天线的尺寸，导致集成困难，后两种方法一般是改变天线的结构，制作比较复杂。针对上述问题，相关研究人员设计出了超宽带印刷型缝隙天线[10]，其与超宽带单极子天线[11]一样都是采用微带馈线或者共面波导(CPW)进行馈电，并且一般主要采用三角形、椭圆形、长方形等形状的缝隙结构[12－13]，缝隙可以开在辐射金属板或者接地板上[14－17]，其形状对天线性能有着重要影响，并且其对加工精度要求低，易于制作，可采用标准的光刻工艺制作在敷铜电路板上，具有良好的应用远景。

本文设计了一款基于凹槽形缝隙的微带超宽带天线，该天线在其接地板上开出凹槽形缝隙，通过金属微带线馈电并与缝隙耦合来增大带宽，从而实现超宽带天线的辐射。该缝隙天线结构紧凑，易于集成，同时具有良好的阻抗匹配特性和较高的增益，仿真结果表明，其阻抗带宽可达到117%(2.2 GHz～8.4 GHz)，实现了超宽带特性。最终制作了天线的实物模型并对其进行测试，得到其阻抗带宽为113%(2.2 GHz～8.0 GHz)，最高增益达到6 dB，平均增益为4 dB。且其具有小型化、集成度高、制作简单的优点，可以用在多种通信系统中，具有较好的应用前景。

1 天线的设计

本文采用一种凹槽形开口缝隙，在相同接地板尺寸的情况下，凹槽形缝隙比矩形窄缝的实际耦合面积大大增加，从而增大天线辐射的电磁耦合量，保证在较大的频率范围内实现较好的阻抗匹配特性，因此增加了缝隙微带天线的阻抗带宽。该天线是一种多边形缝隙天线，可以通过其多谐振特性产生超宽带工作频段，而且与长方形、三角形或椭圆形缝隙超宽带天线相比较，凹槽缝隙结构的超宽带天线可调整的尺寸参数更多，故更容易实现阻抗匹配。

该天线的最低谐振频率可以通过改变凹槽形缝隙的尺寸大小来调整。凹槽形缝隙天线的最低谐振频率可以通过下面的多边形缝隙天线公式得到:

式中:f为凹槽形缝隙天线的谐振频率，c为真空中光速，εr为介质基板的相对介电常数，L为缝隙的边长。此外，微带馈电线的阻抗对于天线阻抗匹配也有一定的的影响，一般为50 Ω 最合适，其尺寸计算公式如下所示:

式中:Z为微带馈电线的特性阻抗，εr为介质基板的相对介电常数，h为微带馈电线与接地面之间的介质厚度，w为馈电线的宽度。该凹槽形缝隙超宽带天线的设计过程如下所述:首先根据式(1)确定缝隙的大概尺寸，使其在低频(3 GHz～4 GHz)范围内产生谐振点，初步定为3.4 GHz；然后根据式(2)确定馈电线的尺寸参数，使其特性阻抗为50 Ω；最后调整缝隙的位置和尺寸参数，使得其在2.2 GHz～8.4 GHz 频段内具有优良的阻抗匹配及辐射特性。

本文设计的新式凹槽形缝隙超宽带天线的结构如图1 所示，该天线主要由介质基板、接地板、微带馈线三部分组成。首先在接地板上开出一定形状的凹槽形缝隙，然后在介质基板的上表面印制了金属微带馈电线，用来对天线进行馈电并且激励缝隙，进而拓宽工作频带。介质基板的尺寸为55 mm×55 mm×1.5 mm，采用FR4 材料，相对介电常数εr＝4.4。关于所有阻抗匹配的研究是通过ANSYS HFSS 14.0实现的。天线的关键参数以S11性能和阻抗匹配为优化目标得到，具体的天线尺寸参数在表1 中给出。

图1 凹槽形缝隙超宽带天线

表1 天线的基本尺寸参数

2 参数分析

2.1 凹槽形缝隙边长L0 对阻抗带宽的影响

分别选取L0＝42 mm，L0＝43 mm 以及L0＝44 mm 这三种不同情况对天线进行仿真分析。由图2可以得到，随着L0的增大，天线的谐振频率几乎不变(3.4 GHz)，但是天线的带宽呈现先增大后减小的趋势，在L0＝43 mm 的情况下，得到最大的阻抗带宽117%(2.2 GHz～8.5 GHz)，且此时天线的反射系数最大，为－42.33 dB，天线收发效果最佳。综合考虑，选取L0的大小为43 mm。

图2 矩形缝隙边长L0 对阻抗带宽的影响

2.2 缝隙的位置d1、d2 对天线性能的影响

(1)缝隙与基板左侧的距离的d1对天线辐射特性的影响

分别选取d1＝6.4 mm，d1＝7.4 mm 以及d1＝8.4 mm 三种不同的情况对天线进行参数分析。经过HFSS 仿真之后，可以得到图3 的反射系数曲线。从图3 可以看出，随着d1的增加天线的谐振频率先增高后降低，同时会影响天线的反射系数，随着d1的增大，天线的反射系数也是先增大后减小，在d1＝7.4 mm 时达到最高点，为－58.39 dB。天线的阻抗带宽随着d1的增加逐渐变大，在d1＝8.4 mm 时获得最大值，为118%(2.1 GHz～8.2 GHz)，d1＝7.4 mm时稍小，为115%(2.2 GHz～8.2 GHz)。综合考虑，取d1＝7.4 mm 时，天线获得最佳的性能。

图3 矩形缝隙的位置d1 对阻抗带宽的影响

(2)缝隙与基板前侧的间距d2对天线辐射特性的影响

固定缝隙与基板左侧的距离d1＝7.4 mm，然后分别取d2＝5 mm，d2＝5.4 mm 以及d2＝5.8 mm 三种不同的情况对天线进行参数分析。经过HFSS 仿真之后，可以得到图4 的反射系数曲线，从图中可以看出，随着d2的增大，天线的谐振频率也随之增高，在d2＝5.8 mm 时达到3.7 GHz，但是天线的反射系数先增加后降低，在d2＝5.4 mm 时到达最高点，为－53.56 dB，与此同时天线的阻抗带宽逐渐减小，由117%减小为116%。综合考虑天线的阻抗带宽与反射系数，选取d2＝5.4 mm。

图4 矩形缝隙的位置d2 对阻抗带宽的影响

2.3 微带馈电线位置d3 对天线性能的影响

金属微带馈电线主要用来对天线进行馈电并且激励凹槽形缝隙，其尺寸及位置参数会影响馈电线的阻抗大小，进而影响天线的阻抗匹配特性，故应研究分析馈电线的尺寸参数L1、W1及位置参数d3对天线辐射特性的影响。一般来说馈电线的阻抗应为50 Ω，经由初步计算后得到其尺寸参数，即微带线的长度L1＝15 mm，微带线的宽度W1＝2.3 mm。经过HFSS 电磁仿真软件仿真后得到其史密斯圆图，如图5 所示，可以清楚地看出天线在谐振频率3.4 GHz 处的归一化阻抗大约为1(即50 Ω)，达到最佳匹配效果。

图5 缝隙天线的smith 圆图

在得到馈电线最佳尺寸参数后，接下来研究分析馈电线的位置参数d3对天线辐射性能的影响。微带馈电线的位置d3分别取d3＝31 mm，d3＝32 mm，d3＝33 mm 三种情况，经过仿真后得到的反射系数曲线如图6 所示。可以从图6 中得到，随着d3的增加，天线的谐振频率基本上没有变化，但是天线的反射系数先增大后降低，在d3＝32 mm 时达到最大，为－42.33 dB。而天线的阻抗带宽在d3＝31 mm时最大，为118%(2.2 GHz～8.6 GHz)，但是其反射系数较小，为－35.87 dB。综合考虑应选择d3＝32 mm，可以得到更好的天线性能。

图6 馈电线的位置d3 对阻抗带宽的影响

通过以上的一系列参数的对比分析，可以得到当凹槽形缝隙边长L0＝43 mm，缝隙位置d1＝7.4 mm，d2＝5.4 mm，馈电线位置d3＝32 mm 时天线获得最佳的阻抗带宽匹配效果，拥有比较好的反射系数频带，满足超宽带天线设计的基本需求。

3 结果与分析

3.1 仿真分析

在对天线的尺寸参数进行分析与优化之后，确定了最佳尺寸参数，从而得到了最佳的天线辐射特性，天线的相关仿真结果如下所示。图7(a)给出了优化后的超宽带凹槽形缝隙天线的反射系数S11曲线，从图中可以看到优化后的微带缝隙天线的谐振频率3.4 GHz，天线工作在S11<－10 dB 的频率范围是2.2 GHz～8.4 GHz，即阻抗带宽为117%，符合超宽带天线的频段要求，并且从图7(b)中也可以看出天线的电压驻波比在上述频段内，同时满足VSWR<2 的要求，说明天线的阻抗匹配效果比较好。

图7 缝隙天线的反射系数图像和电压驻波比曲线

图8 是该天线分别在工作频率为3.4 GHz、5 GHz 和5.5 GHz 处的E(电场方向)平面和H(磁场方向)平面的仿真方向图。从图10 中可以看出，在E 平面内，天线在工作频率3.4 GHz、5 GHz 和5.5 GHz 处都具有近似“∞”的辐射方向图，可以看出H面的方向性不是很好，但是天线的增益比E 面高，并且随着频率的增加，H 面开始呈现出近似对称的全向化辐射方向图，具有较稳定的辐射性能。图9是天线的增益曲线，从该图中可以发现天线的增益在有效带宽范围内在为负值(－7.5 dBi～－5 dBi)，且随着频率的增大先增大后减小，是由于微带缝隙天线本身的损耗过高造成其天线的辐射效率降低，从而导致天线的增益为负值，其可在后续研究中进一步设计来改善其性能，提高天线的增益。

图8 缝隙天线不同频点的方向图

图9 缝隙天线的增益曲线

3.2 天线性能分析

根据仿真结果，对天线进行了实物制作。天线实物模型如图10 所示。经过网络分析仪对天线进行测试，可以得到天线的反射系数S11的实测值，其与仿真值的结果比较如图11(a)所示，从中可以看出阻抗带宽的实测值与仿真值较为接近，展现出良好的匹配特性，阻抗带宽为113%(2.2 GHz～8.4 GHz)。同时，可以看出实测与仿真结果有一定出入，出现了两个下降峰，分别在2.2 GHz～2.6 GHz、6.6 GHz～6.9 GHz 范围内，推测第二个下降峰出现的原因可能是由于天线的测试环境处于开放的室内，可能存杂波的干扰；而第一个下降峰的谐振频率出现明显偏移，分析是由于天线加工过程中引入了阻焊材料，造成介质基板整体的介电常数增加，从而造成天线谐振频率的明显降低(<3.4 GHz)。天线实物测试的相关增益曲线如图11(b)所示，从中可以看出天线在有效频段内增益最高可达到6 dB，平均增益为4 dB 左右。

图10 缝隙天线实物模型

图11 仿真与实测反射系数图和缝隙天线的增益曲线

4 结论

本文提出了一种新式的微带凹槽形缝隙超宽带天线，通过在天线的接地板上开出凹槽形结构的缝隙，并利用微带馈电线对其进行耦合激励来拓展频带，克服了普通缝隙天线频带窄的缺点。通过高频电磁仿真软件HFSS 对天线进行设计与仿真分析，并且对各个相关参数进行分析优化，研究了其性能，得出了天线的各个参数对其性能的影响，综合对比分析确定了天线最终的最优尺寸值，最终天线在2.2 GHz～8.4 GHz 的频段内实现良好的反射特性，相对阻抗带宽为117%，实现了超宽带特性。最终加工了天线的实物模型并对其进行测试，得到其阻抗带宽为113%(2.2 GHz～8.0 GHz)，最高增益达到6 dB，平均增益为4 dB。该天线基本能够满足超宽带通信的要求，并且具有结构简易、体积较小、易于集成等优势，在移动通信等领域具有广泛的应用前景。