一种可展宽频带的微带贴片天线概要

第24卷 第2期电 波 科 学 学 报Vol.24,No.22009年4月 CHINESEJOURNALOFRADIOSCIENCE April,2009 文章编号 100520388(2009)0220307204 一种可展宽频带的微带贴片天线 孙思扬 林 欣 高攸纲 吕英华 (北京邮电大学电子工程学院,北京100876)3 摘 要 提出了一种可展宽频带的微带贴片天线。通过对普通矩形微带贴片天线进 行切角而展宽频带。由贴片天线的谐振频率和该贴片上的电流分布出发,生宽带特性的机理。HFSS 对该天线的电特性进行计算,结果表明:(-达到 16%(370MHz)。关键词 ;;TN82 A Designofawidebandmicrostrippatchantenna SUNSi2yang LINXin GAOYou2gang LΒYing2hua (SchoolofElectronicEngineering,BeijingUniversityof PostsandTelecommunications,Beijing100876,China) Abstract Thispaperpresentsasingle2patchwide2bandmicrostrippatchantenna1 Thebandwidthisexpandedbycuttingdownasquareatthecorneroftheordinary rectangularpatchantenna1Thewide2bandmechanismisexploredbyinvestigating therelationshipbetweentheresonantfrequencyandthesurfacecurrentdistribution onthepatch1Theelectricalpropertyoftheantennaiscomputedusingcommercially availableFiniteElementsoftware,HighFrequencyStructureSimulator(HFSS),of Ansoft1Itcanbeseenfromthesimulationresultsthattheantennaproposedinthis paperhasanimpedancebandwidth(S11<-10dB)of16%(370MHz)1Thevalidi2 tyofthisdesignisdemonstrated1 Keywords microstrippatchantenna;expandbandwidth;cutdown;surfacecur2 rent;flowpath 引 言 随着无线通信技术的迅速发展,微带天线获得 了广泛的应用。与普通微波天线相比,微带天线具 有剖面薄,体积小,便于与其它微波器件集成等优 点。但是,由于其Q值极高,因此其带宽较窄。为 了展宽微带天线带宽,近年来,研究者提出了许多不 同的天线结构。采用寄生贴片是增加带宽的传统方法,文献[1]提出了一种带有U型寄生贴片的宽带微带天线。文献[2]中,描述了一种开双H形槽的口径耦合馈电微带天线。但是这些方法在提高天线带宽的同时增大了天线的体积,从而使其应用受到一定限制。因此,展宽单贴片微带天线带宽具有重要的实际意义[3～5]。文献[5]中,通过加载缝隙,E型贴片天线的带宽超过了30%。文中提出了一种可展宽频带的微带贴片天线。 收稿日期:20082052301 基金项目:国家高科技发展计划资助项目(2007AA01Z281);博士点基金(200700130046)3 联系人:孙思扬E2mail:ssybupt@gmail1com307

308电 波 科 学 学 报第24卷 通过对普通矩形微带贴片天线进行切角,从而引入 多个谐振电流路径长度,使天线带宽得到展宽。相比于U型、E型贴片天线,该天线结构更加简单,便于制造。文中提出的贴片天线工作于214GHz频段。为了提高分析效率,文中的仿真分析均使用电磁仿真软件ANSOFTHFSS,而非实际制作后测得,但这并不影响对该方法有效性的证明。 不变,其谐振频率也不变。而对于切角部分,贴片物理长度的减小导致电流路径长度相应地减小,由(1)式可知,这将引入一个高于原谐振频率的新的谐振频率。当这两个谐振频率彼此靠近时,可以有效地展宽微带天线的带宽。 微带介质板采用RogersRO4003材料,εr=3138。贴片高度h=5mm,贴片尺寸为(3011,3011)mm,切掉部分的尺寸分别为(3,1316)mm,(3,1316)mm。天线由50Ω同轴线馈电。将上述值代入(1)至(3)式,为f=215GHzf 。 1 天线结构和工作原理 本文提出的微带天线的结构如图1所示。天线贴片的尺寸为(L,W,h)。天线贴片由同轴探针馈电。为了展宽天线频带,对其进行切角, 切掉的部分尺寸分别为L1,W1,L2,W2。 ANSOFTHFSS对所设计的天线进行数值计算。天线的S11参数仿真曲线如图2所示。 图1 天线结构示意图 电流路径法是一种简单而直观的微带天线分析 方法,通过预估贴片上的电流路径,得出该贴片谐振频率的大致个数及大小。对于普通矩形微带贴片天线,其表面电流沿着贴片长度方向流动。计算出其谐振频率以便于在仿真时设置其求解频率。谐振频率与矩形贴片天线长度的关系如下[6]: f r = 2L+2Δe (1) 图2 所设计天线的S11参数 式中,εe为天线的等效介电常数,可由天线介质基板介电常数算出[6]: -1/2 εεε(2)1+10+e= W22 而Δl为由贴片开路端缝隙的边缘效应所引起的等效延伸长度,计算的经验公式如下[6]: ω +01264 εΔl=01412hεe-01258 +018 h 图中虚线所示为切角微带天线的S11参数曲线,作为比较,实线所示为普通矩形微带天线的S11参数曲线。由图可见,普通矩形微带贴片天线仅有一个谐振频率,而切角微带天线有两个谐振频率,分别为214GHz和2165GHz,与公式(1)的计算结果相近。这两个谐振频率彼此靠近,展宽了天线的带宽。当S11<-10dB时,切角微带天线的带宽达到了370MHz(16%),三倍于未切角的普通矩形微带天线。 图3所示为切角微带贴片天线的表面电流分布。 (3) 式中,c为真空中的光速,其数值为3×108m/s。对普通微带天线进行切角后,贴片的物理长度发生了变化。对于未切角的部分,贴片的物理长度 第2期 孙思扬等:一种可展宽频带的微带贴片天线309

图时的方向图 。优于普通矩形微带贴3 结 论 提出了一种可展宽频带的微带贴片天线。在结构上对普通矩形微带贴片天线进行切角从而展宽天线频带。由贴片天线的谐振频率和该贴片上的电流分布出发,研究了产生宽带特性的机理。应用仿真软件ANSOFTHFSS对设计的天线模型进行仿真,结果显示,其带宽达到了16%(S11<-10dB),三 图3 由图3可以明显看出不同频率下的电流路径长度。在214GHz时,电流主要集中在未切角的部分,而在2165GHz时,电流主要集中在切角部分。再次验证了第一节中的电流路径法分析计算的有效性。 图4与图5分别为所设计天线在214GHz及2165GHz时的方向图。由图可见,方向图在频带倍于初始带宽。该方法直观有效,并且便于与其它展宽微带天线频带的方法联合使用,从而进一步展宽带宽。参考文献[1] SANGHW,YONGSL,JONGGY1Widebandmi2crostrippatchantennawithu2shapedparasiticelements[J]1IEEETransactionsonAntennasandPropaga2tion,2007,55(4):1196211991 [2] 焦永昌,潘雪明,王泽美,等1一种开双H形槽的新内比较稳定,在214GHz及2165GHz时,天线的E 面半功率波束宽度分别为59°和57°,H

面半功率型宽频微带天线[J]1电波科学学报,2005,20(5):65626591 JIAOYongchang,PANXueming,WANGZemei,etal1NovelwidebanddoubleH2shapedaperture2couplingmicrostripantenna[J]1ChineseJournalofRadioSci2ence,2005,20(5):65626591(inChinese) [3] RAFIGZ,SHAFAIL1Widebandmicrostrippatch antennaswithV2slotandpatch2viaresonators[C]∥AntennasandPropagationSocietyInternationalSym2posium,2004,IEEE,4:3741237441 [4] HUYNHT,LEEKF1Single2layersingle2patchwide2 bandmicrostripantenna[J]1ElectronicsLetters,1995,31(16):1310213121 [5] FANY,ZHANGXX,YEXiaoning,etal1Wide2band图4 所设计天线在214GHz

时的方向图 310电 波 科 学 学 报 E2shapedpatchantennasforwirelesscommunications[J]1IEEETransactionsonAntennasandPropagation, 第24卷 林 欣 (1983-),女,宁夏人,北京邮电大学 在读硕士生,主要研究方向为电磁兼容技术和环境电磁学理论。