一種新型寬頻帶E型微帶天線的設計

摘 要：介紹一種新型E型結構的微帶天線。在U型微帶天線中間加一段傳輸線構成新型E型微帶天線，產生多點諧振，達到微帶天線頻帶展寬的目的。通過改變饋電點位置和傳輸線的長度和寬度，實現微帶天線的最佳匹配和頻帶的展寬。仿真結果表明，該天線在4.25～5.366 GHz頻帶內反射系數均小于-10 dB，方向最大增益達到9 dB，相對帶寬為23.2%。且對E型天線加工和測試，實測結果和仿真結果一致。

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關鍵詞：微帶天線; E型; 寬帶; 高增益

中圖分類號：

TN82-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)05

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Design of a new type broadband E-shapped microstrip antenna

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LIU Qing-chun， XIONG Xiang-zheng

(Institute Of Electromagnetic Field and Microwave Technology， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

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Abstract：

A new E-shapped microstrip antenna is introduced. A transmission 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 transmission 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.

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Keywords： microstrip anetnna; E shape; broadband; high gain

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收稿日期：2011-10-21

0 引 言

微帶天線［1］具有體積小、重量輕、易饋電、易與載體共形等優點，廣泛應用于測量和通信各個領域。但是，微帶天線的窄頻帶特性［2］在很多方面限制了它的廣泛應用，因此展寬微帶天線的帶寬具有十分重要的意義。

近年來，人們在展寬微帶天線的帶寬方面做了很多的研究［3］：增大基板厚度，降低介電常數［4］；采用電磁耦合多諧振來擴展帶寬的方式［5-6］，采用縫隙耦合饋電的方式［7-8］，采用多層結構［9-10］。本文在對上述各種展寬帶寬技術的比較研究之后，通過在U型微帶天線中間加一段傳輸線構成新型的E型微帶天線，實現了天線阻抗頻帶的展寬。利用HFSS 模擬仿真以及實測結果表明， 這種天線在工作于4.25～5.366 GHz 時， 其相對帶寬達到了23.2%，且采用了傳統的同軸饋電， 結構簡單， 易加工。

1 天線設計與分析

微帶天線的結構如圖1所示， 貼片的長為L，寬為W，饋電點位置為(P_x，P_y)，U_l和U_w為U型天線尺寸， U型天線中間增加的微帶線的長度和寬度分別為E_l和E_w，微帶天線離地面的高度為H。當E_l為零時即為U型天線，E_l不為零時為E型天線。天線采用傳統的同軸饋電方式。天線與地面之間采用空氣為介質，減少采用高介電常數介質帶來的損耗，同時可達到增加頻帶寬度的目的。

圖1 E型天線的結構圖

從圖2可知，隨著E_l的增大，高頻諧振頻率點變小，在E_l=14.5 mm時候高頻諧振點獲得較好的匹配，當E_l繼續增大時候匹配變差。由圖4可得，隨著E_w增大，低頻諧振點匹配變差，而高頻諧振點匹配變好。通過調節中間傳輸線的長度E_l和寬度E_w可獲得兩個匹配較好的諧振頻率點。

如圖4可得，隨著P_y的值增大，天線匹配越好，但是天線工作頻帶變小。通過調節P_y值，可獲得最佳的天線匹配和頻帶的展寬。

2 仿真與實測結果分析

經過多次仿真優化后得出E型微帶天線的具體尺寸，表1為U型天線和E型天線的尺寸(單位:mm)。根據表中參量的值，采用HFSS對本文所設計的微帶天線進行仿真，仿真結果如圖5~圖7所示。

圖5是U型微帶天線和E型微帶天線的回波損耗曲線圖。由圖可得，U型天線S11小于-10 dB的頻率從4.715~5.035 GHz，中心頻率為4.875 GHz，頻帶寬度BW=0.32 GHz，相對帶寬為6.5%；E型天線S11小于-10 dB的頻率從4.25~5.364 GHz，中心頻率為4.807 GHz，頻帶寬度BW=1.114 GHz，相對帶寬為23.2%，相對于U型天線帶寬展寬3.5倍。因此，在U型天線中間加入傳輸線可以有效展寬帶寬。

圖6，圖7是E型天線在兩諧振點的E面和H面方向圖。由圖可得，微帶天線的最大增益達到9 dB，較之傳統的微帶天線增益(5 dB)有較大的增加。

圖8為E型天線加工的實物圖。圖9為用Agilent E5071C網絡分析儀測試E型天線的S11曲線，實測S11小于-10 dB的頻帶為4.09～5.06 GHz。由于加工粗糙和饋電端口誤差導致對天線頻移和帶寬的減小，但和仿真的結果相近。

3 結 語

針對微帶天線窄帶的特性，本文提出了一種有效展寬微帶天線頻帶的方法。通過在U型微帶天線中間加一段傳輸線，適當調整同軸饋電點和傳輸線的長寬 ，實現了寬頻帶高增益的E型微帶天線的設計。天線工作在4.25～5.366 GHz頻帶內，且增益達到了9 dB，相對帶寬達到23%，可運用于IEEE 802.11a (5 GHz)頻段的無線局域網。本文給出了實測結果，并與仿真結果一致。

參 考 文 獻

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(上接第101頁)

4 結 語

針對射頻接收模塊系統指標要求，對參數的指標進行了分析，根據噪聲系數、靈敏度、增益等關鍵指標要求，提出了一種基于ATF54143的低噪聲放大器設計方案，并用ADS軟件進行了仿真，得到了仿真數據，為后面設計、調試硬件電路板提供了理論依據。

參 考 文 獻

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作者簡介：

余之喜 男，1987年出生，大田人，碩士研究生。主要從事射頻電路設計的研究。

蘇凱雄 男，羅源人，教授。主要研究方向為數字視頻廣播系統與多媒體技術。

陳 俊 男，1978年出生，福清人，碩士，講師。主要從事微波功率放大器和數字電視等方向的研究。

楊華煒 男，1987年出生，連城人，碩士研究生。主要從事射頻電路設計的研究。