一種高增益多頻帶微帶貼片單元的設計

王瑤瑤，陳桂波，盧俊

（長春理工大學　理學院，長春　130022）

一種高增益多頻帶微帶貼片單元的設計

王瑤瑤，陳桂波，盧俊

（長春理工大學理學院，長春130022）

設計了一種由圓、正八邊形、矩形組合構成的微帶貼片天線，其使用同軸線饋電。采用有限元法對所設計天線的電特性進行了仿真研究。同時也對天線在不同尺寸參數下的性能指標進行了對比分析。結果表明，天線兼具高增益和多頻帶的特性，在2.25～2.33GHz、3.51～3.7GHz、4.34～4.6GHz頻帶內，帶內回波損耗全部小于-10dB，天線最高增益達到7.37dB，且天線的E面和H面輻射波束較好，半功率波束寬度約是60°；仿真結果證實了所設計的天線具有良好的性能指標。

多頻帶；高增益；貼片

微帶貼片天線由于體積小，重量輕，作為全向共形天線應用于火箭和導彈上［1］，現代衛星通訊系統優點有數據傳輸快、覆蓋范圍廣［2］，因此航空航天飛速發展，對天線的要求也越來越高，天線有時需要工作在多個頻段［3］，微帶貼片天線可工作在100MHz～100GHz無線電通信設備中，如：遙感、移動和個人通信等［4］。但是微帶天線有頻帶窄，陣列損耗大、增益低等缺點，微帶天線的兩個重要性能指標：增益、帶寬［5］。

如何實現寬頻帶、高增益、低旁瓣天線是微帶貼片天線研究的熱點。郭蓉等［6］通過在接地板上開槽的方式，設計了超寬帶貼片天線，增益約為4.4dB，但是波束寬度大于180°；文獻［7］中增益是3.5dB，文獻［8］中增益是3.0dB。

微帶天線的輻射理論本質上是高頻的電磁泄漏，如果一個微波電路不被導體完全封閉，電路中的不連續處就會產生電磁輻射，如：微帶電路的開路端、結構尺寸的突變、折彎等不連續處也會產生電磁輻射［9］。因此，為了使貼片天線具有多頻帶的同時具有高增益特性，本文設計了一種由圓環、正八邊形、矩形組合而成的新結構天線，所設計的貼片天線通過增大天線的開路端，使天線輻射增強，提高增益，仿真表明，該天線同時具有7.37dB的增益，低旁瓣和三個頻帶的工作特性，且方向性增強。

1　天線的設計與分析

本文采用相對介電常數εr=3.38，厚度h=5mm的介質板；天線工作的中心頻率 f0；矩形貼片的寬度W和長度L，有

參考地面的長度和寬度［10］

圖1　天線結構圖

通過在接地板上設計類圓環結構，同時改變矩形貼片1和2的尺寸得到較好的仿真結果。

1.1參數變化對回波損耗的影響

采用有限元法對所設計的天線進行仿真研究，比較類圓環尺寸變化時對回波損耗S11的影響。類圓環如圖1所示，是由圓和、正八邊形、矩形組成。圖2（a）是當圓半徑r分別是2.5、3、4.5mm時的回波損耗曲線圖；圖2（b）是當正八邊形半徑R分別取3.1、5、10.5mm時的回波損耗曲線圖；圖2（c）是比較貼片1和4在不同參數下的回波損耗曲線圖。

如圖2（a）所示，隨著圓尺寸的增加，最低頻帶帶寬和諧振深度變化細微；但是高頻帶寬逐漸增大，且諧振深度逐漸增加，如：最深諧振深度從-13dB降低到-23dB。由此可見，圓的尺寸主要影響高頻帶的諧振深度和帶寬。

如圖2（b）所示，隨著正八變形尺寸的增加，低頻帶寬逐漸減小，諧振深度變小，如：當R=3.1mm時，在2.27～2.39GHz內，S11＜-10dB，當R=10.5 mm時，在此頻段內，帶寬是0；高頻部分諧振深度增加，帶寬寬度先增后減，在R=5mm時最大，但是諧振深度從-9dB降低到-26dB；因此正八變形對整體帶寬和高頻帶諧振深度的影響較大。

如圖2（c）所示，貼片1和2對于帶寬的影響比較大。當貼片1尺寸dx=0.2mm時，此時工作帶寬約為3.7～3.85GHz；當貼片1尺寸增大到dx=4mm時，天線呈現三頻帶工作特性，大致在2.28～2.32GHz，3.37～3.42GHz，3.78～3.83GHz；而貼片2的接入使得帶寬大大增加，仿真結果表明，貼片2的寬度在dy=3mm時得到最好的帶寬效果，在2.25～2.33GHz，3.51～3.7GHz，4.34～4.6GHz頻帶內，S11＜-10dB。

1.2參數變化對天線增益的影響

圖2　結構參數

圖3（a）-（c）分別是當圓半徑r分別是2.5、3、4.5mm時，三維增益方向圖。

圖3　圓半徑r從2.5mm增大到4.5mm時三維增益方向圖

圖4　正八邊形半徑R從3.1mm增大到10.5mm時三維增益方向圖

從圖3中看出，圓半徑r從2.5mm增大到4.5mm時，增益均在7.3dB～7.4dB之間，變化細微，所以圓的尺寸對增益影響不大。因此，綜合圖2（a），圖3可得，當r時3mm時，增益和帶寬效果最好。

圖4（a）-（c）是正八面體半徑R分別取3.1、5、10.5mm時，三維增益方向圖。

如圖4所示，正八邊形半徑R從3.1mm增大到10.5mm時，增益快速減小，從7.38dB降低到6.82dB。綜合比較圖2（b）、4的帶寬與增益圖，當正八邊形半徑R=5mm時，輻射效果最好。

2　天線仿真結果

綜合以上仿真分析結果，給出天線的總體尺寸，如圖1所示。貼片長和寬分別是L=31.0mm，W=41.4mm，圓半徑r=3mm，正八面體半徑R=5 mm，貼片1寬度dx=4mm，貼片2寬度dy=3 mm。經仿真給出了天線的S11（圖5）、增益（圖6）、H面和E面波束（圖7）與場強（圖8）方向圖。

圖6　天線三維增益方向圖

圖7　H面和E面波束形狀圖

如圖7（a）和（b）所示，H面和E面半功率波束寬度約是60°，所設計的天線方向性增強了。

圖8　H面和E面場強分布方向圖

如圖8（a）和（b）所示，H面和E面場強分布方向圖，從此圖可以看出主瓣和旁瓣的大小強弱。E面是通過最大輻射方向，并與電場矢量平行的面；H面是通過最大輻射方向，并與磁場矢量平行的面［11］。

3　結論

本文設計了一種新結構貼片，使用同軸線饋電方式［12］，通過改變類圓環結構參數達到了提高增益的目的；同時通過改變連接貼片的寬度實現多頻帶工作特性。仿真結果表明，天線方向性較強，約有7.37dB的增益，在2.25～2.33GHz，3.51～3.7GHz，4.34～4.6GHz頻帶內，S11＜-10dB。具有較好的輻射特性，研究結果可為無線通訊天線的設計提供借鑒。

［1］ Payam Nayeri，Fan Yang，Atef Z Elsherbeni.Design and experiment of a single-feed quad beam reflectarry antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2012，60（2）：1166-1171.

［2］ 鄭月軍，高軍，曹祥玉，等.一種兼具寬帶增益改善和寬帶寬角度低雷達散射截面的微帶天線［J］.物理學報，2014，224102：1-9.

［3］ 王瑤瑤，陳桂波，盧俊，等.單元間距與單元形狀對陣列天線輻射影響研究［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2014，37（5）：155-158.

［4］ 牟春暉，姜文，龔書喜，等.一種新型的低雷達散射截面微帶天線［J］.微波學報，2015，31（2）：10-14.

［5］Nayan M K A，Jamlos M F，Jusoh M，et al.A novel single feed of circular polarized antenna and open area test site measurements for 2.4 GHz application［J］.MicrowaveandOpticalTechnology Letters，2014，56（6）：1337-1344.

［6］ 郭蓉，曹祥玉，袁子東，等.一種新型寬帶定向性貼片天線設計［J］.物理學報，2014，244102：1-6.

［7］ 楊放，衛銘斐，王純.單點饋電高增益圓極化三角形微帶貼片天線設計［J］.電子元件與材料，2015，34（5）：58-65.

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

［9］ 約翰.克勞斯，羅納德，著.（章文勛譯）.天線［M］.北京：電子工業出版社，2004：8-68.

［10］ 吳知航，章文勛，劉震國，等.一種新型寬頻帶高增益的變極化微帶反射陣線［J］.電波科學學報，2006，21 （6）：820-824.

［11］ 李明洋.HFSS電磁仿真應用設計詳解［M］.北京：人民郵電出版社，2010：11-300.

［12］PradeepKumar，JoseLuisMasa-Campos.Dual polarized microstrip patch antennas for ultra-wideband applications［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2014，56（9）：2174-2178.

Design of a High Gain and Multiple Band Microstrip Patch

WANG Yaoyao，CHEN Guibo，LU Jun
（School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

This paper designs a microstrip patch antenna，which composed of round，octagon，rectangular and using coaxial feed；The finite element method is using in the antenna simulation research on the electrical characteristics.This paper also analyzed the performance of the antenna under the different size parameters.The results show that the antenna with the characteristics of high gain and multiband in 2.25～2.33GHz，3.51～3.7GHz，4.34～4.6GHz frequency band that return loss is less than-10dB；The highest gain of antenna is up to 7.37 dB；The E plane and H plane antenna radiation beam are better and half-power beamwidth is about60°；The simulation results confirmed the design of the antenna with good performance.

multiple band；high gain；patch

TN820.1

A

1672-9870（2015）05-0123-04

2015-08-28

國家自然科學基金（41004042）；教育部博士點基金（20092216120005）

王瑤瑤（1992-），女，碩士研究生，E-mail：747416090@qq.com

盧?。?968-），男，博士，教授，E-mail：junlucc@126.com