新型宽带容性馈电微带天线单元仿真设计

新型宽带容性馈电微带天线单元仿真设计

韩哲鑫

（武警警官学院信息通信系四川成都610213）

摘要：设计一种新型宽频带微带天线单元。天线采用空气介质腔，通过容性馈电贴片进行同轴线馈电，并进行边缘开槽。通过采用HFSS高频系统仿真软件仿真分析发现，适当的调整天线切口、空气腔体和馈电贴片的长宽可以调整天线的带宽和驻波比性能。

关键词：微带天线；容性馈电；宽频带；高增益

1.引言

在通信领域，微带天线得到了广泛地应用。但其驻波比VSWR≤2:1的阻抗带宽仅有1－5％，严重制约着微带天线在宽频带通信领域的性能。而微带天线阻抗频带窄的根本原因在于这是一种高品质因数Q的谐振天线。因此，可以通过以下几种方法来增加微带天线的阻抗带宽：1）加耦合贴片，采用多层结构和用枝节加载等方法改变谐振电路，降低谐振曲线的尖锐度；2）附加阻抗匹配网络；3）改变贴片的形状。本文设计的天线采用空气介质腔，通过容性贴片进行同轴线馈电以增加天线带宽，并进行开槽处理来达到提高增益、降低驻波比的目的。通过对其仿真，其阻抗带宽达到50％，表明该天线已达到宽频带特性。

2.结构设计

根据天线设计要求的频率范围4—6GHz，结合传统矩形贴片天线设计方法确定天线辐射单元的尺寸，选取天线辐射单元的长和宽分别为L=17.4mm，W=16.5mm。天线的介质采用RO3003，相对介电常数为3.0，其长和宽分别为s=30.0mm，h=8.0mm。介质层中心为空气方腔，空气腔的厚度高度g=5mm。空气腔的加入，使得介质的上层厚度为2.0mm，下层厚度为1.0mm。

本文采用HFSS高频仿真软件对所设计的天线进行仿真。再不影响仿真效果条件下，对天线的贴片和接地板采取零厚度处理，以加快仿真速度。

3.仿真分析

3.1空气层宽度的影响分析

当设定天线的切口凹槽的宽度WC=3.0mm，长度LC=3.5mm，馈电贴片的宽度w=2.8mm时，从图1可以看到当空气腔的宽度D增大时，天线的中心频率开始向高频段移动，由3.6GHz移向5.6GHz。且天线带宽在26mm时达到最大，大约为2.3GHz。同时，我们可以发现当空气层宽度大于20mm时，反射系数S11曲线出现两个较强的谐振点存在于4.00GHz和5.50GHz附近。且天线的增益与空气层宽度成正比。如图2所示，当天线空气腔的宽度D=0mm时，天线增益为6.10dB，当D=30mm时，其增益提高到8.59dB，优于普通的贴片天线。

图1空气层宽度对天线带宽的影响

图2空气层宽度对天线增益的影响

3.3贴片宽度的影响

针对馈电贴片宽度l对带宽的影响，本文从1.2mm到4.2mm选取了四个值进行仿真分析。如图3所示，最佳谐振点随馈电贴片长度的增加，向高频端移动。在l=2.8mm时，S11在5.42GHz天线的反射系数达到-42dB。而当l≤2.4时，在4.00GHz附近出现另一个谐振点。

图3馈电贴片长度对天线带宽的影响

3.3切口凹槽对驻波比的改善

由于凹槽的影响，使得天线的电流分布发生变化。设定凹槽的宽度WC=4.0mm，长度LC=3.0mm，根据图4可得，与没有切口凹槽时相比，天线在谐振频率处可以得到更小的反射系数，且在带宽方面有一定改善，可达到2.4GHz，同时增益也由7.62dB提高到8.78dB。

图4凹槽对天线带宽的影响

4.总结

本文通过Ansoft公司HFSS软件对一种新型宽频带天线单元进行仿真分析及优化得到该天线在反射系数S11≤-10dB条件下，相对阻抗带宽达到50％，覆盖4GHz～6GHz的频带范围。并且其增益可达到8.78dB，达到了天线宽带宽，高增益的设计目标。

参考文献：

[1]I.J.鲍尔，P.布哈蒂亚著.微带天线[M].梁联倬，寇廷耀译.北京:电子工业出版社,1985：2-5.

[2]钟顺时.矩形微带天线的带宽及宽频带技术[J].电子科学学刊,1985,7(2):98-107.

[3]G.RafiandL.Shafai.BroadbandmicrostrippatchantennawithVslot[J],IEEProc.-Microw.AntennasPropagation,2004,151(5):435-440

个人简介

姓名:韩哲鑫，出生年月:1988.03.04，性别:男，民族：汉，籍贯（精确到市）:河北乐亭，当前职务：教师，当前职称：助教，学历：研究生，研究方向：通信工程，作者单位:四川省成都市武警警官学院，单位所在地(精确到市)：四川成都，单位所在地邮编:610213