展寬貼片天線頻帶的Ｌ型饋電方法的設計與分析

羅志升　王　黎　高曉蓉　王澤勇　趙全軻

摘 要：微帶天線其本身具有的固有帶寬十分狹窄,很難應用于更多更廣的領域中,所以對微帶天線帶寬展寬的研究具有十分重要的意義。采用Ansoft公司的HFSS仿真軟件仿真分析了L型探針饋電方法的微帶貼片天線,并且設計了一個中心頻率為1 000 MHz的L形探針饋電方法的微帶貼片天線,其絕對帶寬為320 MHz,達到了中心頻率的32％,輻射增益大約為9 dB。其具有尺寸小,結構簡單,超寬帶的特征。

關鍵詞：帶寬；中心頻率；L型探針饋電；微帶貼片天線

中圖分類號：TN82 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-070-04

Design and Analysis of Bandwidth-enhancement Technique of L-probe-fed Patch Antenna

LUO Zhisheng,WANG Li,GAO Xiaorong,WANG Zeyong,ZHAO Quanke

(College of Sciences,Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031,China)

Abstract：Microstrip antennas have inherent extremely narrow band-width,it is very difficult to be applied in more domains.Thus the wide band-width research of microstrip antennas is of great significance to the application.In this paper,by using Ansoft Company′s simulation software HFSS,the simulation and analysis of L-probe-fed microstrip patch antenna are shown,and a 1 000 MHz center frequency L-probe-fed microstrip patch antenna is designed.Its absolute bandwidth is 320 MHz,reaching 32% bandwidth of that at the center frequency.The radiation gain is about 9 dB,it is characterized by its small size,simplified structure and ultra-wide band.

Keywords：band width;center frequency;L-probe-fed;microstrip patch antenna

0 引 言

最近幾十年微帶天線的發展非常迅速,但微帶天線其本身具有的固有帶寬十分狹窄,很難應用于更多更廣的領域中,所以對微帶天線帶寬展寬的研究具有十分重要的意義。近來超寬帶天線成了一個熱門的話題,但是展寬貼片天線頻帶十分困難［1］。在對天線進行設計時,既要實現天線的寬帶化,又要限制天線的尺寸大小,而且還要滿足天線的駐波、增益等指標,類似這樣的天線設計問題是十分困難的。如何協調好上述關系以獲得最佳天線結構,則成為寬帶天線設計的核心問題［2,3］。該文討論用L型探針方法來展寬貼片天線帶寬的方法,仿真設計出

了一個中心頻率為1 000 MHz帶寬為32％的L型探針饋電的貼片天線。

1 中心頻率1 000 MHz的L型探針饋電天線的設計及仿真

1.1 模型確定

設計指標為中心頻率為1 000 MHz,帶寬為30％以上。當頻率等于1 000 MHz時,波長(單位：m)如下式所示：

λ0＝cf＝3×1081 000×106＝0.3

(1)

εr＝1(即為空氣或者泡沫基片),天線模型尺寸初步設計如下:

L= 16.5 cm,W=14.5 cm,Lp=5.54 cm,D=1.06 cm,基片厚度2.58 cm,探針直徑0.53 cm,如圖1所示。通過HFSS軟件對其進行仿真設計,設計的仿真模型、俯視圖、側視圖如圖2~圖4所示。

圖1 天線的尺寸標示

圖2 天線的仿真模型

在圖1中,L表示為貼片的長度,W為貼片的寬度,LP為探針的左端到右端的距離,D為探針左端到貼片的距離,模型基片厚度固定為2.58 cm。

圖3 天線仿真模型俯視圖

圖4 天線仿真模型側視圖

1.2 仿真調試

對上述仿真模型進行仿真,得到的仿真結果如圖5所示。

圖5 駐波比曲線圖(一)

圖5為在模型尺寸：L＝16.5 cm,W=14.5 cm,Lp=5.54 cm,D=1.06 cm,t=2.58 cm下得到的駐波比曲線圖,此時的帶寬只有7.5%左右,且中心頻點離1 000 MHz漂移也有點大,結果與設計指標相差甚多。為了得到設計指標結果,調整參數,首先調整貼片的大小來增加貼片天線的帶寬,然后再調整貼片與探針的相對位置來滿足頻點指標,于是將貼片尺寸進行縮小,尺寸如下:長L為16.5 cm,寬W為12.5 cm,其余參數均不改變,對其再進行仿真分析,得到的駐波比圖如圖6所示。

可見,此時尺寸為L＝16.5 cm,W=12.5 cm,Lp=5.54 cm,D=1.06 cm,t=2.58 cm時帶寬增加為14.4%,中心頻點為860 MHz,明顯比一開始設計參數的貼片有了改進,但是離設計指標還是相差很多,對其貼片尺寸再進行調節：長為16.5 cm,寬為11.5 cm,進行仿真分析,得到的駐波比曲線圖如圖7所示。

圖6 駐波比曲線圖（二）

圖7 駐波比曲線圖（三）

由圖7可見,帶寬有了很大的增加,此時模型尺寸為：L＝16.5 cm,W=11.5 cm,Lp=5.54 cm,D=1.06 cm,t=2.58 cm。帶寬為25％,且中心頻點也在 1 000 MHz附近,由于帶寬還是未達到30%以上,所以對其再進行改進,貼片尺寸改為：長為15 cm,寬為 11 cm,得出駐波比曲線圖如圖8所示。

圖8 駐波比曲線圖（四）

由圖8可知,在L＝15 cm,W=11 cm,Lp= 5.54 cm,D=1.06 cm,t=2.58 cm的尺寸下,帶寬已經有了很大的改進,此時的帶寬為30%左右,且中心頻點在1 000 MHz附近,為了進一步達到目標,依照以前的思路,對貼片的尺寸進一步調整：長為15 cm,寬為 10.5 cm,于是可以得到駐波比曲線圖如圖9所示。

此時可以看出,在模型尺寸為:L＝15 cm,W=10.5 cm,Lp=5.54 cm,D=1.06 cm,t=2.58 cm時,駐波比在2以下的頻率范圍為0.91~1.23 GHz,其絕對帶寬為0.32 GHz,相對帶寬已經達到32％,而且中心頻點為1 000 MHz,已經達到最初給出的設計指標,為了進一步得到更好的結果,于是對其尺寸再進行改變,且對其探針長度、探針的設計及其基片厚度進行改變,發現再改變反而駐波比明顯下降,且其余結果也會變得不理想,所以這就是得到的最佳結果,且此時的貼片的長度也滿足由下式：

l歃薳2=λ02εe=0.321=0.15

(2)

計算得到的諧振長度［4］。

圖9 駐波比曲線圖（五）

1.3 最終結果表示

通過以上的仿真調試可以看出圖9正是要得到的駐波比曲線圖。表1給出了得到圖9的設計的尺寸；表2列出了從圖9中得出的天線的中心頻率、絕對帶寬、相對帶寬及增益的值。

表1 天線設計尺寸

天線的設計尺寸尺寸大小 /cm

貼片長度L15

貼片寬度W10.5

探針長度Lp5.54

基片厚度t2.58

探針直徑D0.53

接地板尺寸30×34

表2 天線的參數值

天線參數參數值

中心頻率1 000 MHz

絕對帶寬320 MHz

帶寬(相對帶寬)32%

增益9 dB

通過HFSS軟件也可以得到在表1尺寸下的S 11參數圖、φ=0°輻射方向圖、φ=90°輻射方向圖及天線增益3D模型圖,分別如圖10~圖13所示。

其余參數圖從圖10可以看出,S參數在-10 dB以下的是從0.92~1.23 GHz,可知其絕對帶寬為 0.31 GHz,其相對帶寬為30％以上,基本和由駐波比得到的帶寬符合。

圖10 S 11參數圖

圖11 φ=0°輻射方向圖

圖12 φ=90°輻射方向圖

圖13 天線增益3D模型圖

由圖10~圖13可知,最終得到的L型探針饋電方式貼片天線其帶寬為32％,增益大約在 9 dB的水平。影響貼片天線的帶寬和中心頻率的因數有：貼片的尺寸大小,基片的厚度,貼片與L型探針的相對位置,L探針的長度,饋電點位置也有影響［5,6］,具體來說,貼片的長度L由式(2)可以計算得出,對其長度L及其寬度W進行調節及基片厚度的改變會改變貼片天線的帶寬及其中心頻點,L探針長度的改變及饋電點的位置也會影響帶寬但對中心頻點的影響很小,這就會有一個最佳尺寸［7,8］,且從以上可以看出最初的設計尺寸未能達到指標要求。為了達到設計目標,對貼片尺寸進行了重點調節,其余的影響參數只是對其進行了很小的修改,而且達到設計要求后,對其他影響參數也進行了微調,由此得出了上文中的規律和結論。

2 結 語

介紹了L型探針饋電方式的展寬頻帶方法。以前,人們在微帶貼片天線的頻帶展寬方面常采用多層結構,雖展寬了頻帶但使天線的結構復雜化,有悖于寬帶的微帶貼片天線逐漸向小型化、結構簡單的發展方向［9,10］。探討了貼片天線中的設計尺寸參數的變化對仿真結果的影響,主要通過對貼片尺寸的調節、基片厚度的調整；L探針長度的調節,可以對貼片天線仿真模型的中心頻率和駐波比進行調節,最終仿真設計出了帶寬>30%的超寬帶微帶貼片天線,具有尺寸小、結構簡單、超寬帶的特征。

參考文獻

［1］范偉.超寬帶(UWB)通信技術.微機算機信息,2005,21(2):154-155.

［2］范琪凱.超寬帶天線的研究和仿真.哈爾濱:哈爾濱工程大學,2006.

［3］Huynh T,Lee K F.Single-layer Single-Patch Wideband Microstrip Antenna.Electron.Lett.,1995,31(16):1 310-1 312.

［4］Aaron K Shackelford,Kai-Fong Lee,Luk K M.Design of Small-size Wide-Bandwidth Mcrostrip-Patch Antennas.Antennas and Propaqation,2003,45(1):75-83.

［5］鐘順時.微帶天線理論與應用.西安:西安電子科技大學出版社,1991.

［6］王揚智,張麟兮,韋高.基于HFSS新型寬頻帶微帶天線仿真設計［J］.系統仿真學報,2007,19(11):2 603-2 606.

［7］馮鈞.寬帶微帶天線理論與設計方法［J］.視聽界(廣播電視技術),2006(6):92-94.

［8］高向軍,朱莉,趙海洲.一種寬帶微帶貼片天線的新設計［J］.空軍工程大學學報:自然科學版,2007,8(4):39-41,61.

［9］鐘順時,羅遠祉.微帶天線理論和技術的發展.電子與信息學報,1989,11(3):290-298.

［10］車仁信,程鑫,張坤武.寬帶微帶天線設計方法研究［J］.大連鐵道學院學報,2005,26(1):76-79.