不對(duì)稱U 形微帶縫隙天線設(shè)計(jì)

申雪雪， 孫緒保， 邱厚童， 劉 華

（山東科技大學(xué) 電子學(xué)院通信系，山東 青島266590）

0 引言

WIMAX 作為一項(xiàng)寬帶無線接入技術(shù)（BWA），能夠提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接，可與電腦、手機(jī)等終端結(jié)合應(yīng)用于城市安全、物流、交通等場(chǎng)合。隨著該技術(shù)的廣泛應(yīng)用，其所在的3.5GHz頻段天線也成了通信行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)［1］在該頻段分別采用在杯形貼片中央加載倒U 形槽以及加載交叉橢圓環(huán)的方式，得到了較高的增益（平均增益4.77dB），實(shí)現(xiàn)了對(duì)干擾信號(hào)的有效抑制；文獻(xiàn)［2］在該頻段通過加載SRR環(huán)，獲得了較好的帶阻特性；文獻(xiàn)［3］在該頻段通過合理的使用階梯阻抗饋線，制作了一副串饋微帶縫隙天線陣，實(shí)現(xiàn)了95°～130°的平方余割賦形波束設(shè)計(jì)，上半空間副瓣電平抑制到-19dB 以下［3］。

本文設(shè)計(jì)了一種可工作于該頻段的微帶縫隙天線。通過在地板上開不對(duì)稱U 形槽來產(chǎn)生阻帶效果［1］，縫隙截?cái)啾砻骐娏鳎淖兤浞植?，使電流路徑變彎曲，增加了電流的有效路徑以及?duì)電磁場(chǎng)的引導(dǎo)能力，減小了天線尺寸，達(dá)到小型化的目的。并采用微帶線饋電結(jié)構(gòu)，在50Ω 微帶線上添加不對(duì)稱的U 形開路枝節(jié)，使電磁場(chǎng)可以無限延伸，擴(kuò)展了帶寬，便于匹配。

1 天線結(jié)構(gòu)

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主體由接地板上刻蝕的不對(duì)稱U 形縫隙和位于介質(zhì)基片背面的饋電微帶線組成。主臂是特性阻抗為50Ω 的微帶線，側(cè)臂是與縫隙同中心的不對(duì)稱U 形開路微帶線。介質(zhì)基板厚度1.5 mm，采用介電常數(shù)為2.2的RT5880材料，尺寸為80mm×90mm。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

微帶縫隙天線是在金屬體表面開縫，縫隙截?cái)嗔吮砻骐娏?，使電流路徑變長(zhǎng)，從而達(dá)到小型化的目的。縫隙長(zhǎng)度L 與天線介質(zhì)的介電常數(shù)εr取值有關(guān)，縫長(zhǎng)L 的近似值為

式中：λg為等效電磁波波長(zhǎng)。

式中：λ0為自由空間的波長(zhǎng)；εe為等效介電常數(shù)，其中λ0、εe可由式（3）、式（4）表示：

式中：c為自由空間的光速；f 為天線的諧振頻率；h為介質(zhì)層的厚度；W 為輻射貼片的寬度。

本文中天線的微帶饋線與50Ω 傳輸線匹配，其饋線輸入部分的寬度W3可由式（5）計(jì)算得出［5］。

其中：A、B分別為

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中W1為U 形饋線的寬度，W2為U 形槽輻射縫隙的寬度，W3為饋線輸入部分的寬度，L4、L5分別為位于左右兩側(cè)窄縫的長(zhǎng)度，縫隙中心與微帶線中心重合。

調(diào)節(jié)接地板上兩側(cè)窄縫長(zhǎng)度L4、L5，構(gòu)成不對(duì)稱U 形結(jié)構(gòu)。這種不對(duì)稱U 形槽的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。在接地板尺寸相同的情況下，U 形縫隙相比矩形窄縫極大地增加了實(shí)際耦合面積，進(jìn)而增大了天線輻射的電磁耦合量，展寬了天線的阻抗帶寬，且該不對(duì)稱U 形縫隙設(shè)計(jì)相對(duì)于同等長(zhǎng)寬的U 形縫隙，各方面性能有所提升。

2 天線仿真與結(jié)果分析

在天線的設(shè)計(jì)過程中，采用了基于有限元法的高頻仿真軟件HFSS 對(duì)天線的各個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行仿真。

參數(shù)L4、L5對(duì)天線輻射特性的影響分別如圖2、圖3所示。

圖2 天線反射系數(shù)隨參數(shù)L4 變化

由圖2可知，參數(shù)L4的大小對(duì)中心頻率的影響較大。

圖3 天線反射系數(shù)隨參數(shù)L5 變化

由圖3可知，參數(shù)L5的變化，對(duì)S11的影響較大。隨著L5的變大，S11增大明顯。通過仿真分析，得出在L4＝20mm，L5＝16.4mm 時(shí)，天線仿真的結(jié)果較為理想，阻抗匹配達(dá)到最佳狀態(tài)。

經(jīng)過對(duì)貼片尺寸參數(shù)的調(diào)節(jié)及優(yōu)化調(diào)整，得到天線的基本參數(shù)：W0＝80 mm，W1＝2.2mm，W2＝9.8 mm，W3＝4.7 mm，W4＝42.7 mm，W5＝45.1mm，L0＝90mm，L1＝21.6mm，L2＝15.3 mm，L3＝10.8 mm，L4＝20 mm，L5＝16.4mm，L6＝14.8mm。

天線的反射系數(shù)曲線如圖4所示，在中心頻率3.50GHz處，天線的S11值達(dá)到-41dB。在所需頻段內(nèi)，天線回波損耗均低于-10dB。有效帶寬為950 MHz（3.08GHz～4.03GHz），帶寬較理想，符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 天線的反射系數(shù)

圖5給出了天線軸比值隨頻率的變化曲線。由圖5可知，在3.5GHz附近處軸比均在3dB以下。

圖5 天線的軸比

圖6、圖7為在諧振頻率上測(cè)得的Ψ＝0°面和Ψ＝90°面的方向圖，圖中增益為dB。

圖6 Ψ＝0°，f＝3.5GHz時(shí)的方向圖

圖7 Ψ＝90°，f＝3.5GHz時(shí)的方向圖

由圖可知，在3.5GHz時(shí)，獲得了較好的方向性和增益，滿足使用要求。

3 小結(jié)

設(shè)計(jì)了一種新型微帶縫隙天線，并利用仿真軟件HFSS 對(duì)天線進(jìn)行了仿真分析。在接地板上開槽，有效的減小了天線的面積。最終結(jié)果顯示，天線在3.5GHz頻段得到了很好的匹配。另外，天線體積較小，容易集成加工，適用于手機(jī)、電腦等終端。

［1］ 蔡得水.微帶縫隙天線的研究與設(shè)計(jì)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

［2］ 陳長(zhǎng)富.Ku波段高增益微帶陣列天線研究與設(shè)計(jì)［D］.吉林：吉林大學(xué)，2013.

［3］ 馬漢清.寬帶與多頻天線關(guān)鍵問題的研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

［4］ 郎為民，焦巧，蔡理金，等.WIMAX 應(yīng)用與發(fā)展［J］.電信快報(bào)，2009，（6）：15-18.

［5］ 章堅(jiān)武，王錦璇，葉霓.工作于2.4 GHz／5.2GHz雙頻段微帶縫隙天線的設(shè)計(jì)［J］.電視技術(shù)，2011，35（11）：43-46.

［6］ 張俊文，鐘順時(shí).V 形微帶縫隙天線［J］.微波學(xué)報(bào)，2007，23（2）：44-46.

［7］ W，S，Chen，C，K，Wu，K，L，Wong.Novel Compact Circularly Polarized Square Microstrip Antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2001，49（3）：340-342.

［8］ 薛睿峰，鐘順時(shí).微帶天線圓極化技術(shù)概述與進(jìn)展［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，17（4）：331-336.

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［10］ 鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1991.