一种新型宽频带E型微带天线的设计

摘 要：介绍一种新型E型结构的微带天线.在U型微带天线中间加一段传输线构成新型E型微带天线,产生多点谐振,达到微带天线频带展宽的目的.通过改变馈电点位置和传输线的长度和宽度,实现微带天线的最佳匹配和频带的展宽.仿真结果表明,该天线在4.25～5.366 GHz频带内反射系数均小于-10 dB,方向最大增益达到9 dB,相对带宽为23.2%.且对E型天线加工和测试,实测结果和仿真结果一致.

关 键 词 ：微带天线, E型, 宽带, 高增益

中图分类号：

TN82-34

文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2012)05

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Design of a new type broadband E-shapped microstrip antenna

LIU Qing-chun, XIONG Xiang-zheng

(Institute Of Electromagic Field and Microwe Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract：

A new E-shapped microstrip antenna is introduced. A tranission line was added into the middle of U-shapped microstrip antenna, which constituted a new E-shapped microstrip antenna, resulted in more resonance to broaden the frequency band. By adjusting the position of feeding point and the length and the width of the tranission line, the proposed antenna achieved the best impedance matching and the bandwidth broadening. The simulated results show that the reflection coefficient of the antenna in 4.25~ 5.366 GHz band is less than -10 dB, the direction of the gain is 9 dB, the relative bandwidth is 23%.E-shapped microstrip antenna is manufactured and tested, the result is agree with the simulated result.

Keywords： microstrip anna, E shape, broadband, high gain

收稿日期：2011-10-21

0 引 言

微带天线［1］具有体积小、重量轻、易馈电、易与载体共形等优点,广泛应用于测量和通信各个领域.但是,微带天线的窄频带特性［2］在很多方面限制了它的广泛应用,因此展宽微带天线的带宽具有十分重要的意义.

近年来,人们在展宽微带天线的带宽方面做了很多的研究［3］：增大基板厚度,降低介电常数［4］；采用电磁耦合多谐振来扩展带宽的方式［5-6］,采用缝隙耦合馈电的方式［7-8］,采用多层结构［9-10］.本文在对上述各种展宽带宽技术的比较研究之后,通过在U型微带天线中间加一段传输线构成新型的E型微带天线,实现了天线阻抗频带的展宽.利用HFSS 模拟仿真以及实测结果表明, 这种天线在工作于4.25～5.366 GHz 时, 其相对带宽达到了23.2%,且采用了传统的同轴馈电, 结构简单, 易加工.

1.天线设计与分析

微带天线的结构如图1所示, 贴片的长为L,宽为W,馈电点位置为(P_x,P_y),U_l和U_w为U型天线尺寸, U型天线中间增加的微带线的长度和宽度分别为E_l和E_w,微带天线离地面的高度为H.当E_l为零时即为U型天线,E_l不为零时为E型天线.天线采用传统的同轴馈电方式.天线与地面之间采用空气为介质,减少采用高介电常数介质带来的损耗,同时可达到增加频带宽度的目的.

图1 E型天线的结构图

从图2可知,随着E_l的增大,高频谐振频率点变小,在E_l等于14.5 mm时候高频谐振点获得较好的匹配,当E_l继续增大时候匹配变差.由图4可得,随着E_w增大,低频谐振点匹配变差,而高频谐振点匹配变好.通过调节中间传输线的长度E_l和宽度E_w可获得两个匹配较好的谐振频率点.

如图4可得,随着P_y的值增大,天线匹配越好,但是天线工作频带变小.通过调节P_y值,可获得最佳的天线匹配和频带的展宽.

2.仿真与实测结果分析

经过多次仿真优化后得出E型微带天线的具体尺寸,表1为U型天线和E型天线的尺寸(单位:mm).根据表中参量的值,采用HFSS对本文所设计的微带天线进行仿真,仿真结果如图5~图7所示.

图5是U型微带天线和E型微带天线的回波损耗曲线图.由图可得,U型天线S11小于-10 dB的频率从4.715~5.035 GHz,中心频率为4.875 GHz,频带宽度BW等于0.32 GHz,相对带宽为6.5%；E型天线S11小于-10 dB的频率从4.25~5.364 GHz,中心频率为4.807 GHz,频带宽度BW等于1.114 GHz,相对带宽为23.2%,相对于U型天线带宽展宽3.5倍.因此,在U型天线中间加入传输线可以有效展宽带宽.

图6,图7是E型天线在两谐振点的E面和H面方向图.由图可得,微带天线的最大增益达到9 dB,较之传统的微带天线增益(5 dB)有较大的增加.

图8为E型天线加工的实物图.图9为用Agilent E5071C网络分析仪测试E型天线的S11曲线,实测S11小于-10 dB的频带为4.09～5.06 GHz.由于加工粗糙和馈电端口误差导致对天线频移和带宽的减小,但和仿真的结果相近.

3.结 语

针对微带天线窄带的特性,本文提出了一种有效展宽微带天线频带的方法.通过在U型微带天线中间加一段传输线,适当调整同轴馈电点和传输线的长宽 ,实现了宽频带高增益的E型微带天线的设计.天线工作在4.25～5.366 GHz频带内,且增益达到了9 dB,相对带宽达到23%,可运用于IEEE 802.11a (5 GHz)频段的无线局域网.本文给出了实测结果,并与仿真结果一致.

参 考 文 献

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(上接第101页)

4.结 语

针对射频接收模块系统指标要求,对参数的指标进行了分析,根据噪声系数、灵敏度、增益等关键指标要求,提出了一种基于ATF54143的低噪声放大器设计方案,并用ADS软件进行了仿真,得到了仿真数据,为后面设计、调试硬件电路板提供了理论依据.

参 考 文 献

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作者简介：

余之喜 男,1987年出生,大田人,硕士研究生.主要从事射频电路设计的研究.

苏凯雄 男,罗源人,教授.主要研究方向为数字视频广播系统与多媒体技术.

陈 俊 男,1978年出生,福清人,硕士,讲师.主要从事微波功率放大器和数字电视等方向的研究.

杨华炜 男,1987年出生,连城人,硕士研究生.主要从事射频电路设计的研究.