一种小型超宽带微带天线

图 5 介电常数为 4． 4 和 2． 55 时 S11 的比较结果
图 6 所示为天线采用介电常数为 4． 4 的板材， 厚度分别为 1． 1mm 、0． 95mm 和 0． 85mm 时的回波 损耗的比较，从图中可看出不同的板材厚度对天线 高低端性能会产生不同的影响。
图 7 天线实物图
图 6 厚度为 1． 1mm 、0． 95mm 和 0． 85mm 时 S11 的比较结果
图 2 馈线背面开窗和没开窗的 S11 的比较结果
果，从图中可以看出，在整个工作频带内天线的平均 增益在 4dB 以上，只有在低端有几个频段的增益在 4dB 以下，但是也基本都在 3dB 以上。图 4 所示为 天线在 3． 4GHz、7． 17GHz、10． 8GHz 这 3 个频点的 辐射方向图。从图中可以看出，在整个频带范围内 天线都能保持比较稳定的辐射方向。
2 仿真结果
利用 CST 软件对这种小型化超宽带微带天线 进行了性能仿真和优化。经过优化仿真得到一个带 宽在 2． 15 ～ 13． 47GHz 范围内回波损耗均在 － 10dB 以下的小型化 UBW 微带天线。
图 2 所示为在天线尺寸完全相同的情况下馈线 背面开窗和没开窗情况下回波损耗的仿真结果比 较。从图 2 可以看出，馈线背面有开窗口的情况比 没有开窗口的情况，在 2． 15 ～ 13． 47GHz 频带范围 内回波损耗更好，特别是随着频率越来越高效果也 越明显，因此可以得出，在馈线底面开窗口能较好地 改善天线在高频段的回波损耗特性，天线能得到更 宽的频带。
小于 2； 增益基本稳定在 3 ～ 6dB 之间； 并且该天线
具有比较稳 定 的 辐 射 特 性。 与 文 献［10］中 带 宽 为
126% （ 2． 4 ～ 10．ห้องสมุดไป่ตู้6GHz） 的天线相比，有更小的尺寸
和更大的介电常数，同时获得了更宽的带宽。由于
所设计天线的尺寸比较小，因此比较容易集成。所
以该天线是一种性能较好并且具有实用价值的小型
试，测试和理论仿真 S11 的比较结果如图 8 所示。从 中可以看出，在整个频段范围内反射特性与仿真计 算结果基本吻合。在仿真优化过程中发现馈线背面 窗口的位置和大小以及辐射单元与缺陷地之间的相 对位置这几个因素对天线性能影响很大。由于本天 线实物是通过腐蚀加工而成，精度比较差，馈线背面 窗口的位置和尺寸以及辐射单元和缺陷地之间的相 对位置都存在误差，所以测试结果和仿真结果不能 非常吻合。
图 1 天线结构图
在微带贴片的不同位置开不同形状的窗口可以 等效成引入阻抗匹配元件，因此在接地板的适当位 置处开窗口可改变微带天线的辐射条件和阻抗特 性，并能展宽频带。辐射单元的渐变结构能影响贴 片上的电流分布，能够调节天线的特性阻抗和辐射 特性。这都会对天线的带宽和面积产生影响，如果 选择合适的尺寸可以达到最优效果。
Key words： ultra-wideband，small size，microstrip antenna，DGS
引言
随着现代通讯系统的飞速发展，通信设备的体 积不断减小，通信频带不断向宽频带、高频段发展， 对通信设备提出了越来越高的要求，推动了作为通 信系统中的关键部件天线的小型化和宽带化的发 展。2002 年 FCC 将 3． 1 ～ 10． 6GHz 频段划归为超 宽带（ UWB） 的民用频段［1］。UWB 天线是超宽带通 信的关键部件之一。超宽带天线在电气指标上需要 满足输入端反射特性、辐射方向图和增益等指标。
本文通过对一种缺陷地类型的超宽带微带天 线［10］进行仿真研究得出，除了在辐射单元下面采用 缺陷地结构外，如果在馈电部位也采用缺陷地结构， 不 仅能使得天线的带宽加宽，而且还可以使天线的
* 收稿日期： 2011-01-08； 修回日期： 2011-03-27 基金项目： 国家自然科学基金（ 60673143） ，浙江省科技计划（ 2006C21020） 项目
化超宽带微带天线。
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有用的结论。影响介质耦合窗的热应力、机械应力 的主要因素分别是所加热溶液和微波输入功率、腔 体内压和介质耦合窗的厚度。不同条件下介质耦合 窗的主要作用应力也不相同。所以，对于高温高压 微波化学反应，当反应溶液、容器内压和输入功率不 同时，介质耦合窗口上的热应力和机械应力也不尽 相同，主要作用力当然就不相同，这时需要对这两个 力重新进行分析比较．
微带天线是一种用微带贴片作为辐射单元的天 线，由于其结构简单、体积小、重量轻、易于集成等优
点，得到了广泛的应用。由于其频带窄的缺点限制 了微带天线的发展［2-4］，近年来微带天线的小型化和 宽带技术越来越受到大家的重视［5-6］。目前国内外 采用的小型化技术有： 采用高介电常数或高磁导率 的特殊材料基片（ 如 LTCC） 、改变电流路径、天线加 载、附加有源网络等方法 。 ［1-6，8-9］ 宽 带 化 技 术 有 渐 变结构、增大基板厚度、降低基板的相对介电常数、 引入寄生元等方法［2，4-6，11-12］。
天线实物图如图 7 所示，其中（ a） 为天线的正 反面，（ b） 为馈线背面窗口的细节图。最后做了测
图 8 反射特性的测量结果和仿真结果比较
4 结论
文中仿真优化并制作了一个小型化超宽带微带
天线，在整个宽带工作频段 2． 15 ～ 13． 47GHz 内，该
天线的回波损耗均在 － 10dB 以下； 电压驻波系数都
所以根据实际情况可以选择合适的介电常数和 合适厚度的板材，天线可以达到所需的带宽和比较 好的性能，同时可以根据实际情况进一步对天线的 尺寸进行优化以达到更好的性能，以适应不同情况 下的特殊要求。
3 实验结果
根据前面的仿真结果，最后进行了实物制作，实 物所采用的是用介电常数为 4． 4、厚度为 0． 95mm 的 FR4 板材。经过仿真优化后确定了天线的最佳 尺寸，如 图 1 所 示，整 个 天 线 的 尺 寸 为 50mm × 40mm，其中 W = 50mm，L = 40mm，r1 = 20mm，r2 = 1 0 mm ，l0 = 2 mm ，w0 = 1 mm ，l1 = 23 ． 6 mm ，w1 = 4． 1mm，l2 = 34mm，w2 = 5mm，l3 = 3mm，w3 = 25mm， l4 = 10mm，w4 = 5mm，l5 = 17mm，w5 = 5mm，w6 = 14． 935mm。
关键词： 超宽带，小型化，微带天线，缺陷地结构
A Small Size Ultra-wideband Microstrip Antenna
GUAN Bo-ran，CAO Jian-wei （ Institute of Antenna and Microwave Technology，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）
摘 要： 给出了一种小型化超宽带微带天线，该天线采用微带线对半圆形和矩形组成的阶梯状辐射单元进行 馈电，基板背面为相似形缺陷地结构窗口。天线参数采用电磁仿真软件 CST 进行仿真和优化。所设计的小型化超 宽带微带天线相对带宽达 144． 9% （ 2． 15 ～ 13． 47GHz） ，带内回波损耗均在 － 10dB 以下，整个工作频段内天线的增 益平均在 4dB 以上，天线的辐射方向图形状在频带内基本保持不变。该天线具有结构紧凑和形状简单的特点，易于 加工和集成。最终实际制作了天线样品，并进行了测试，实测数据与仿真结果吻合良好。实验结果表明该微带天线 具有良好的小型化和超宽带特性。
图 5 所示为天线在形状和尺寸完全相同时，采用 介电常数分别为 4． 4 和 2． 55 的基板时回波损耗的比 较。在仿真计算结果中，采用介电常数为 2． 55 的板
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材时，当 频 率 接 近 20GHz 的 时 候，S11 仍 然 是 在 － 10dB 以下。因此中可以得出，如果采用介电常数小 的板材，天线能得到更宽的带宽，虽然低端的频率稍 微有些增大，但是高端的频率却有了很大的提高。
图 3 所示为馈线背面开窗时的天线增益仿真结
图 3 增益图
图 4 辐射方向图
从图 2 和图 3 可以看出，馈电背面开窗口的天 线在带宽和阻抗特性上都满足了 UWB 通 信 的 要 求，并且天线还有较高而且稳定的增益，同时还将截 止频率扩展到了 13． 74GHz。从图 4 可以看出天线 在整个工作带宽内的辐射方向图基本保持不变，这 进一步满足了 UWB 通信要求。
第 27 卷第 2 期 2011 年 4 月
微波学报
JOURNAL OF MICROWAVES
文章编号： 1005-6122（ 2011） 02-0060-03
一种小型超宽带微带天线*
Vol． 27 No． 2 Apr． 2011
官伯然 曹建伟
（ 杭州电子科技大学天线与微波技术研究所，杭州 310018）
第 27 卷第 2 期
官伯然等： 一种小型超宽带微带天线
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尺寸减小。本文采用 CST 软件，通过对影响天线特 性阻抗和辐射性能的参数进行优化仿真，最后确定 天线最佳尺寸，制作了实物并且加以测试，最终得到 一种性能更好的小型化超宽带微带天线。
1 天线结构
天线结构如图 1 所示，天线的正面是由半圆形 和矩形组成的阶梯状辐射单元，并且用 50Ω 的微带 线进行馈电，如图 1（ a） 所示。在天线背面的地板上 开了两个窗口，一个是在辐射单元背面开的与天线 辐射单元形状相似的比较大的窗口，另一个是在馈 电线背面开一个小的矩形窗口，如图 1（ b） 所示。
对于高温高压微波化学反应器，当微波输入功 率较大时，介质耦合窗上会产生较大的热应力； 当腔 体内压较大时，窗口上的机械应力也很大； 但当窗口 上的机械应力过大时，可以通过增加窗体厚度来减 小这个力。
Abstract： A compact ultra-wideband microstrip antenna is presented in the paper． The radiating element of this antenna is made up of semicircle plane and rectangle planes，which are fed by microstrip line． The same window of Defected Ground Structre （ DGS） is etched on the back of the microstrip antenna． The performance of the antenna is simulated and optimized by CST． The simulate result shows that the relative bandwidth of the designed antenna is over 144． 9% （ 2． 15 ～ 13． 47GHz） ，and the return loss is less than － 10dB． The average gain is over 4dB in the operating range． The radiation pattern is remained almost same type in the operating range． In addition to small size and simple shapes，the antenna is also easier to be fabricated and integrated． Finally，a sample antenna is fabricated and the performance is tested． The measured result shows a good agreement with the simulated one． The experimental results show that the microstrip antenna has the advantages of small size and UWB characteristic．