周 靜，李進陽，孫廣輝

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折疊L形空氣介質微帶天線設計

周 靜1，李進陽2，孫廣輝1

（1. 南京郵電大學 通達學院，江蘇 揚州 225127；2. 中國船舶重工集團公司723所，江蘇 揚州 225001）

針對傳統(tǒng)微帶天線體積較大、損耗高的問題，設計了一款工作于UHF頻段的天線。首先，采用空氣介質微帶天線形式有效地降低損耗，同時利用折疊方法使得天線小型化，實現(xiàn)了較低的剖面，僅為0.030；其次，利用L形饋電結構進一步增加了天線帶寬，相對帶寬達到34.4%；最后，利用四饋饋電網絡使天線實現(xiàn)圓極化。天線尺寸為124 mm×124 mm×15 mm，中心頻點為626 MHz，該頻點處增益為5.2 dB。

空氣介質微帶天線；UHF；折疊結構；L形饋電；四饋結構；圓極化

微帶天線具有剖面低、易加工及電性能多樣化等特點，被廣泛應用在無線電和通訊的各個領域[1-2]。近段時間，工作在UHF頻段的天線引起大家極大興趣，隨著小型化趨勢越演越烈，低剖面天線的研究迫在眉睫，然而天線效率和帶寬與其體積密切相關，因此獲得低剖面寬帶天線是非常困難的，經過不斷發(fā)展，實現(xiàn)天線低剖面的手段不斷被提出[3-9]，如疊層U型天線結合U型地[4]使帶寬達到21.6%，但天線剖面較高，達到0.210，并且只能實現(xiàn)線極化。此外通過增加短路針及改進饋電技術可以使天線帶寬得到一定的展寬[5-6]；一款采用三維饋電結構的空氣微帶天線[7]，其剖面進一步減至0.0720；另一款圓環(huán)狀貼片天線[9]雖然實現(xiàn)了更低剖面0.040，但其相對帶寬較窄。

本文采用空氣介質、L形耦合饋電以及折疊相結合方法，提出了一款工作于UHF頻段的新型微帶天線，具有低剖面、寬帶寬及結構簡單等優(yōu)點。一方面，因介質損耗是引起微帶天線損耗過大的原因之一，所以天線設計采用空氣介質；同時，由于采用空氣介質會導致體積偏大，因此利用折疊方法可以較好地解決該問題；采用L形耦合饋電方法進一步展寬帶寬；最后，采用四饋饋電法實現(xiàn)圓極化。另一方面，本文天線中除饋線外，天線材質均為銅金屬，有效降低了天線制作成本。

1 設計

1.1 天線設計

天線三維結構如圖1所示，由四部分組成：折疊空氣介質微帶天線，耦合饋電L形結構，聚四氟乙烯直角支撐墊片以及地板。首先，天線采用空氣作為介質有效地降低損耗，同時利用折疊使得天線小型化，折疊步驟如下：首先，將金屬貼片的四個邊緣向下垂直翻折；其次，再將該翻折貼片下邊沿部分向內翻折90°；第三，利用曲流技術進一步減小天線截面積，將頂部及側面貼片沿邊沿彎曲成“弓”形，向內翻折部分完全一致且互不接觸。為進一步拓寬帶寬，本設計采用耦合饋電L形結構，其構造由探針和平面金屬片組成，探針頂部與金屬片相互垂直，并且焊接在一起，探針底部經過地板上的通孔與四饋饋電網絡的輸出口相連，饋電網絡輸出四個幅度相等，相位依次相差90°的四個支路對天線饋電，使其實現(xiàn)圓極化，饋電金屬片與內翻折的貼片互相平行，且二者之間利用泡沫支撐。由于天線利用銅制作，沒有介質作為支撐，故在天線與饋線介質板之間的四個拐角處分別放置聚四氟乙烯直角墊片，用來支撐整個天線。

（a）天線3D圖

(b) 側視圖

(c) 頂視圖（移除頂部貼片）；(d) 側視圖沿線A-B 單位: mm

1.2 饋線設計

饋電網絡如圖2所示為一分四功分器[10]，其結構包括威爾金森功分器以及180°的混合環(huán)，兩個威爾金森功分器的輸入口分別與混合環(huán)的兩個輸出口相接，180°混合環(huán)的作用是產生兩個具有180°相位差且幅度相同的分量，這兩路信號通過威爾金森功分器產生90°的相位延遲，形成四路等幅，相位正交的分量。饋電結構制作在相對介電常數(shù)為6、厚度為1 mm的介質板上。

圖2 圓極化天線饋電網絡結構圖

2 仿真結果與討論

應用HFSS電磁仿真軟件對天線進行仿真分析。在天線設計過程中，通過調節(jié)饋電L形結構中水平金屬片的寬度以及探針的高度，可以比較顯著地調節(jié)天線的諧振頻率以及改善匹配性能。圖3中給出11隨水平金屬片寬度的變化情況。由圖可知，改變的值可明顯地改變11，隨著的增大，天線的阻抗匹配變好，且諧振頻率隨著的增大向高頻偏移，最終的值取為27 mm。圖4中給出探針高度對天線11影響的仿真曲線，從曲線中可知，隨著探針高度的增加，天線的工作頻率右移，且匹配程度先變好，但隨探針高度進一步增大，天線的匹配變差。分析得知，引起變化的原因是當探針過高時，與頂部貼片的耦合程度過強，干擾頂部貼片的電流分布，導致天線的匹配惡化，由此，最終探針高度定為6 mm。

圖3 水平金屬片寬度L對天線S11影響曲線

圖4 探針高度H對天線S11影響曲線

仿真時，天線下方設置一塊反射板，尺寸為600 mm×600 mm。圖5所示為天線在附加饋電網絡情況下的11曲線，從曲線可知，|11|小于–10 dB的頻率范圍覆蓋410~840 MHz，帶寬非常寬。圖6給出了天線增益以及軸比的仿真結果，在626 MHz附近，仿真增益為5.2 dB，由于采用四饋電結構，天線的軸比性能很好，在中心頻點附近軸比均在2 dB左右。圖7所示為天線在626 MHz處E面及H面輻射方向圖。由圖可以看出，天線在該頻點處，E面和H面的輻射方向圖具有較高的對稱性。為了直觀說明本文設計的天線的性能，文章選取了參考文獻中幾款天線作為參照進行對比，如表1所示，可以看出，本文設計天線具有更低的剖面和較寬的阻抗帶寬。

圖5 天線S11仿真曲線（含饋電網絡）

圖6 天線增益和軸比仿真曲線

圖7 天線在626 MHz的E面和H面輻射方向圖

表1 參考文獻與本文天線性能比較

3 結論

設計了一款工作于UHF頻段的L形折疊空氣介質微帶天線，具有低剖面圓極化性能，利用空氣作為天線介質減小天線損耗，同時利用折疊方法獲得了較低的剖面，剖面僅為0.030；天線又利用耦合L形饋電方式進一步增加了天線帶寬；最后利用四饋法使得天線實現(xiàn)的良好的圓極化性能。天線除饋線外的其余部分均為全金屬結構，降低了天線制作成本。

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Folded L-shaped air-supported patch antenna

ZHOU Jing1, LI Jinyang2, SUN Guanghui1

(1. Tongda College of Nanjing University of Posts & Telecommunications, Yangzhou 225127, Jiangsu Province, China; 2. The 723 Institute of CSIC, Yangzhou 225001, Jiangsu Province, China)

As everyone knows, the sizes of the traditional microstrip antennas were very large, and the losses were relatively large. To solve these problems, a miniaturized circularly polarized air-supported patch antenna worked at ultra-high-frequency (UHF) band was proposed. First of all, air was used as a supporting substrate of the antenna for lowering loss, meanwhile, novel folded structure was designed to realize miniaturization, and the overall height of the folded antenna was only 0.030. Secondly, the proposed antenna was fed by an L-shaped strip to realize a large bandwidth of 34.4%. Lastly, the four feed method was used for the realization of the circular polarization radiation. The dimension of the proposed antenna is 124 mm×124 mm×15 mm (0.250×0.250×0.030), at 626 MHz), and the gain is 5.2 dB.

air-supported microstrip antenna; UHF; folded structures; L-shaped feeder; four feed structure; circular polarization

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.10.011

TN82

A

1001-2028（2016）10-0049-04

2016-09-05

周靜

周靜（1986－），女，江蘇揚州人，助教，主要研究方向為微波技術和天線，微波器件，E-mail: 600syzj@163.com；

李進陽（1984－），男，江蘇揚州人，工程師，主要研究方向為微波有源電路，微波器件，電磁散射，E-mail: ljy1210zj@163.com；

孫廣輝（1986－），男，山東東營人，助教，主要研究方向為測量控制與儀器、FPAA技術應用研究，E-mail: sunguanghuihui@126.com。

網絡出版時間：2016-09-29 10:10:58

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160929.1010.011.html

（編輯：陳渝生）