一種新型超小型化天線

鄧 曦， 劉運林， 史志瑋， 陳 鋒

（西南交通大學 電磁場與微波技術研究所，四川 成都 610031）

0 引言

微帶天線具有重量輕、體積小、剖面薄、散射截面小等優點，并且微帶天線在衛星通信、導彈遙測、多普勒及其它雷達等領域得到廣泛應用[1]。但是傳統微帶天線半波導波長的諧振結構限制了其應用。為了減小天線的尺寸，一種常用的方法是采用高介電常數的介質基片。但是，這種減小天線尺寸的方法有很多缺點，例如由于表面波效應影響，輻射效率低，高介電常數的介質材料成本很高[2]。所以，其它一些文獻提出可以在天線中加載短路探針[3]以提高天線的性能。另外，文獻[4]提出在適當的位置調整天線的切口、空氣腔體和饋電貼片的長寬可以調整天線的帶寬和駐波比。現借助數值方法計算和模擬軟件仿真，提出了一種新型的超小型化天線，天線的尺寸為16 mm×14.5 mm,天線在Z方向上具有很好的方向性。

1 天線結構

設計的倒F螺旋型天線的工作頻率為f0=1 276 MHz,選取的接地板尺寸為10 mm×16.5 mm，天線通過50 Ω微帶線饋電。微帶線的長度為3 mm,寬度為0.5 mm。微帶天線的輻射單元寬度為3 mm的金屬貼片。該金屬貼片圍繞接地板旋轉兩圈，形成一種新型的天線輻射模型。在接地板(3 mm, 5.1 mm,-3 mm)處插入一半徑為0.2 mm，相對磁導率為4 000的鐵制探針，探針連接底層輻射貼片與接地板。另外,在接地板(7.5 mm,1 mm,0 mm)處開槽,L型槽寬度為0.5 mm,沿Y軸方向的長度為12.5 mm，沿X軸方向的長度為6.5 mm。天線的結構如圖1所示。

天線模型采用空氣介質。天線接地板的尺寸為a=16.5 mm,b=10 mm。天線高度h1=h2=3 mm,微帶線的寬度L1=0.5 mm,長度W1=3 mm。輻射貼片的寬度W2=W4=3 mm。兩平行輻射貼片之間的距離W3=3 mm。微帶貼片輻射壁距離接地板邊緣的距離X=Z=2 mm。短路針的半徑為0.2 mm，短路針和接地板間的距離Y=2.8 mm。L型槽距接地板下側的距離F=2 mm,L型槽的寬度L2=0.5 mm,沿長方向的長度c=13 mm,沿寬方向的長度d=6.5 mm。末端輻射單元距接地板上側的距R=1 mm。

2 設計原理

具有特殊形狀的貼片天線，通常可以實現天線的小型化和寬頻帶。文獻[5]提出了一種倒置的“月牙”形天線模型，并采用微帶線對其饋電。通過數值仿真和實驗測量，該天線模型有很好的性能。現首先提出了一種新型的倒 F螺旋型天線模型。通過數值計算發現，該天線模型的最小駐波比(VSWR)為20.8，最大增益為-4.31 dB。該天線模型遠遠不能滿足實際需要。一些文獻[6-7]提出，插入短路探針可以進一步縮小天線的尺寸，降低天線駐波比，增大天線帶寬，提高天線增益。文獻[2]提出了一種新型的小型化微帶天線的分析與設計，該文獻分析了一種插入短路針的新型圓形微帶天線。通過插入短路針，使天線在具有良好電特性的同時，減小了尺寸，并且增大了天線的阻抗帶寬,提高了輻射效率。受此啟發，通過數值計算和模擬軟件仿真，在(3 mm, 5.1 mm, -3 mm)處插入半徑為0.2 mm，相對磁導率為4 000的鐵制短路探針，使天線的最小駐波比從沒有探針時的20.8減小到插入探針后的1.16。但是，通過模擬軟件仿真天線發現，即使插入短路針后，天線的增益仍非常低，為-4.31 dB。目前，提高天線增益的方法有很多，文獻[4]中提到在接地板開槽來提高天線的增益。本設計在接地板的適當位置處開寬度為 0.5 mm的L型槽，使天線的增益得到大幅度的提高，達到1.9192 dB。通過接地板開槽，天線的增益提高了5.6倍。地板開槽能提高天線增益的原因是因為地板的槽向后輻射能量使地板與槽之間儲存的能量降低從而降低了品質因數[8]。天線的品質因數。

當在地板的適當位置開槽后，槽的輻射能量使地板與槽之間儲存的能量降低，天線總儲能降低。根據上述公式，天線的品質因數因此降低。

3 結果分析

利用數值分析和軟件模擬仿真，設計出天線工作頻率為1 276 MHz的插有短路探針的超小型微帶天線。天線的接地板開L型槽以增大天線增益，天線采用空氣介質。對此天線模型用HFSS軟件進行了模擬仿真。圖2所示為1.2～1.3 GHz范圍內加載短路探針前后天線回波損耗對比圖。

通過對圖2的比較發現，在加載了短路探針后，天線的回波損耗顯著的下降。除此以外，天線回波損耗在圖2所示的1.2～1.3 GHz范圍內，因為插入了短路探針而顯著下降。由此可見，在天線的適當位置處加載短路探針，能減小天線回波損耗和天線尺寸。

圖3所示為插入短路探針后天線的回波損耗圖。其中，回波損耗小于-10(S11＜-10)時的帶寬為 9 MHz,天線工作頻率為1 276 MHz。

圖4所示為天線模型在XZ平面內的增益比較。其中，實線表示在接地板上開L型槽后天線的增益，虛線表示未開L型槽時天線的增益。通過對虛線和實線的對比發現，在加入了L型槽后，天線在XZ平面內的增益得到大幅度提高。在整個XZ平面內都具有很好的輻射性。

同樣，圖5所示為天線模型在YZ平面內的增益比較。其中實線表示開槽后天線的增益，虛線表示未開槽時天線的增益。通過對比發現，對接地板進行L型開槽，天線模型在YZ平面內的增益也得到了大幅度提高。其中，天線在 0°和180°具有很好的輻射性。因此，天線模型在 YZ平面內具有類偶極子輻射特性[9]。

4 結語

提出并分析了一種新型超小型微帶天線。通過模擬仿真和優化設計，在天線適當位置處插入短路探針，降低了天線的駐波比。另外，在天線的接地板處加入一 L型槽，由于開槽后地板與槽之間儲存的能量降低從而降低了天線的品質因數，因此天線的增益得到大幅度提高。提出的新型超小型天線有很小的尺寸和比較滿意的增益，增益在XZ平面內具有良好的全向性；在YZ平面內具有類偶極子輻射特性。因此，該天線模型具有一定的實用價值。

[1] KEITH R C, JAMES W. Mink Microstrip Antenna Technology[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1981,29(01):2-24.

[2] 劉丹,史小衛,尹應增.一種新型的小型化微帶天線的分析與設計[J].火控雷達技術,2003,32(09):34-37.

[3] 汪霆雷,朱旗,王少永.加載短路釘微帶天線的理論分析[J].微波學報,2006,22(03):36-39.

[4] 劉穎,李萍.新型寬帶容性饋電微帶天線單元仿真設計[J].通信技術,2008,41(11):47-49.

[5] 施勝杰,郭輝萍.一種新型超寬帶平面單極天線的設計[J]. 通信技術,2009,42(01):112-114.

[6] SANAD M．Effect of the Shorting Posts on Short Circuit Microstrip Antennas[C].USA:IEEE,1994:794-797.

[7] WATERHOUSE R B, TARGONSKI S D, KOKOTOFF D M,et al．Design and Performance of Small Printed Antennas[J]．IEEE Trans．Antennas Propagate,1998,46(11):1629-1633.

[8] 陳燕林,阮成禮.全向天線技術[EB/OL](2007-11-23)[2009-09-10].http://www.paper.edu.cn/index.php/default/releasepaper/con tent/16530.

[9] 賈登權,史志緯.一種新型超寬帶微帶天線[J].現代電子技術,2009(01):41-46.