一種新型全向微帶貼片天線的設計

劉 淼

（天津電子信息職業技術學院，天津300350）

一種新型全向微帶貼片天線的設計

劉 淼

（天津電子信息職業技術學院，天津300350）

提出了一種在無線通信系統中應用的新型全向微帶貼片天線，該天線具有低剖面和易于饋電的特點。天線的工作帶寬為2 120～2 310 MHz，在中心頻點2 215 MHz處的相對帶寬為8.6％。天線向外輻射垂直極化波且在H平面獲得與單極子天線相似的全向輻射方向圖。天線在方向角平面上仿真的最大增益可達3.0 dB。在設計過程中使用Ansoft HFSS對天線模型進行仿真和優化。

全向的；微帶貼片；單極子式；無線通信

0 引言

近幾年來，對于像單極子一樣具有線性極化各項均一的輻射方向圖特性的天線有著廣泛的需求。事實上，這種輻射方向圖非常適合應用于無線通信系統。具有新結構和更新特性的單極子式輻射方向圖天線研究越來越引起人們的關注。比如說電介質諧振天線就憑借著諸多誘人的特性吸引了大批研究者在之前的文章中廣泛的探討［1，2］。

由于微帶貼片天線具有剖面低、制造成本低、重量輕、結構緊湊并且易于與饋電網絡集成的優勢。在過去的幾十年，微帶貼片天線廣泛地應用在無線通信系統中，在無線通信中起著非常重要的作用［3］。目前應用較多的全向天線有2種：一種是單極子、偶極子形式，或者類似單極子形式［4，5］；另一種是采用面天線、圓片天線等［6，7］。這些天線有很多共同點，如結構簡單、性能穩定等。

因此，本文重點研究那些與電單極子輻射方向圖非常相似的線性極化微帶貼片天線。

1 天線結構

本文提出的可在無線通信系統中應用的天線結構如圖1所示。

圖1 天線結構示意圖

天線采用的是介電常數為2.2，厚度為1.52 mm的聚四氟乙烯介質板。天線地平面的Y向寬度為7.3 mm。輻射矩形貼片由同軸連接器饋電，輻射貼片的長為a1，寬為b1。貼片的尺寸對于天線的諧振頻率影響非常大，長度a1是由式（1）得出：

式中，εe是有效介電常數，Δl是糾偏值，εe和Δl由式（2）和式（3）得出：

式中，b1為輻射貼片的寬度，通過以上公式的計算得出貼片的長度a1為45.1mm，通過仿真調整數值。

天線的工作特性由4個重要參數a1、b1、di和k100決定。在實際仿真過程中，通過固定其余3個參數，調整第4個參數的方法去了解每個參數對天線性能的影響。

以分別a1、b1、di和k100為變量時，天線在諧振頻率的回波損耗如圖2、圖3、圖4和圖5所示。從圖中看出，天線長度a1對于天線的諧振頻率有著明顯的影響。b1和di對于天線的阻抗匹配影響較小，反射系數隨著k100變化而變化。

圖2 變量為a1時的回波損耗

圖3 變量為b1時的回波損耗

圖4 變量為d1時的回波損耗

圖5 變量為k100時的回波損耗

2 結果分析

通過調整這4個幾何參數，得到了理想的頻率、好的阻抗匹配及輻射性能。所設計的微帶貼片天線具有低剖面、結構緊湊并且易于與饋電網絡集成的優勢。設計過程使用Ansoft HFSS進行仿真和優化。

天線最終的幾何尺寸為a＝85 mm，b＝80 mm，k100＝1.1 mm，a1＝44 mm，b1＝53 mm，di＝7.3 m。天線采用的是介電常數為2.2的聚四氟乙烯介質板，具有良好的環境穩定性。天線的－10 dB下阻抗帶寬在中心頻點2 200 MHz的百分比帶寬為8.6％，達到了190 MHz，如圖6所示。H平面獲得了一個很好的全向方向圖，最大增益為3.0 dB，如圖7所示。天線向外輻射垂直極化波且在H平面獲得與單極子天線相似的全向輻射方向圖。

圖6回波損耗仿真示意圖

圖7 H、E平面的輻射方向圖

（a）H平面（b）E平面

3 結束語

提出了一種新型的貼片天線，該天線輻射的垂直極化波可以獲得與單極子天線相類似的輻射方向圖。天線在－10 dB以下的輸入阻抗帶寬為190 MHz（8.6％），在方向角平面上獲得與單極子天線相似的全向輻射方向圖，同時最大增益可達3.0 dB。

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Design on a Novel Omnidirectional M icrostrip Patch Antenna

LIU Miao
（Tianjin Electronic Information College，Tianjin 300350，China）

A novel omnidirectionalmicrostrip patch antenna used in wireless communication system is proposed in this paper.The antenna has such characteristics as low profile and easy feeding.The operating bandwidth of antenna is 2120～2310MHz，and the relative bandwidth is 8.6％at the center frequency point of 2215MHz.The antenna radiates vertical polarization wave and has omnidirectional radiation pattern in H－plane，similar to thatofmonopole antenna.Themaximum gain of antenna is up to 3.0dB in azimuthal plane in the simulation.The antennamodel is simulated and optimized by using Ansoft HFSS in the design.

omnidirectional；microstrip patch；monopole like；wireless communication

TN82

A

1003－3114（2015）04－71－3

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.04.18

劉 淼.一種新型全向微帶貼片天線的設計［J］.無線電通信技術，2015，41（4）：71－73.

2015－03－11

劉淼（1983—），女，講師，主要研究方向：射頻通信電路、MIMO－OFDM系統同步技術等。