S波段微帶寬頻貼片天線設計

湖南文理學院 戴正科

S波段微帶寬頻貼片天線設計

湖南文理學院 戴正科

近年來，隨著無線通訊設備的快速發展，S波段（頻率范圍在1.55～3.4GHz之間）的電磁波得到了更加廣泛的應用。同時由于調頻技術的發展，對天線的寬帶化提出了更高的要求。本文提出中兩種S波段微帶寬頻天線的設計方法，在貼片兩邊開槽和增加寄生貼片，并通過仿真實驗對設計出的天線進行仿真實驗，對其微帶的帶寬進行研究，發現這兩種結構設計均能達到S波段微帶天線拓寬帶寬的目的，希望對天線的寬帶化提供一些幫助。

S波段；微帶寬頻；貼片；天線設計

0 前言

近年來，無線通訊技術發展迅速，S波段的頻率范圍為1.55～3.4GHz。微帶天線由于其體積小、重量輕、低剖面、易與載體共形等優點被廣泛應用于各類通信系統。但是微帶天線的帶寬比只有5%左右，這種比較窄的帶寬比又影響了其使用。而隨著無線通訊技術中跳頻技術的發展，對于微帶寬帶化提出了更高的要求。因此，目前需要研究如何將微帶天線的帶寬進行擴寬。一般多采用層疊貼片增加微帶天線帶寬，而采用口徑耦合的饋電方式減少饋電網絡對天線輻射單元的耦合。目前，對于增加微帶帶寬的方法有以下幾種，首先是增大微帶天線介質基體的厚度，其次是降低微帶天線介質基體的介電常數，再次是采用有耗介質，最后可以采用增肌阻抗匹配網絡的方法。其中最為主要的兩種方法是在貼片兩邊開槽和增加寄生貼片的方法，本文將針對這兩種方式進行分析。

1 S型結構微帶天線

S型微帶天線的設計可以通過調整貼片兩邊平行槽的寬度和長度來調整天線的帶寬和諧振頻率。

天線的結構設計如圖1所示，天線總厚度為3mm，其中介質層為SF4玻璃增強板。

圖1 S型微帶天線

對設計的S型微帶天線通過HFSS10.0仿真軟件進行仿真實驗，當回損＜-10.0dB時，得到的數據如表1所示：

表1 S型微帶天線仿真數據

由表中數據可得，S型微波天線的相對帶寬達到了寬帶天線的要求標準，滿足了對于天線帶寬的要求，同時可以滿足天線多頻的要求，說明這種設計可以滿足無線寬帶技術中對于視頻影像的傳輸要求。且這種設計結構簡單，基礎性能良好，在工程應用中會有良好的前景，可以進行大力推廣。但是目前的S型微帶縫隙天線還存在一些缺點，如在高頻段的輻射性能較差，因此，在下一步的研究中還需對這方面加強研究。

2 E型貼片結構設計的微帶天線

E型貼片電線設計結構主要是通過增加寄生貼片，貼片的形狀為E型，且采用雙側結構，同時使用探針饋電的結構，在對各種參數進行優化設計得出的結構，簡言之就是采取同軸饋電，并利用E型貼片結構達到天線設計的多層結構來拓寬帶寬。其結構如圖2所示。

圖2 E型貼片電線設計

從圖2可以看出該類電線由金屬底板、E型輻射貼片、寄生輻射單元組成。其中E型輻貼片和寄生輻射單元均印制在聚四氟乙烯的介質板上，介質板的厚度為1mm。介質板之間還有下層介質板與底板之間均用空氣層隔開，其厚度分別為h2和h1，并用加工好的聚四氟乙烯作為支撐材料。這種結構的天線通過探針對E型貼片進行饋電，而E型貼片通過耦合作用對上層的寄生元進行激勵。

這種結構的天線在設計時關鍵是對寄生元輻射單元的設計，而寄生元輻射單元在設計時主要有三個地方需要注意，分別是基片的選擇，單元寬和單元長度的設計。

其中基片的選擇，基片的材料選擇時一般采用低損耗的介質，例如聚四氟乙烯、陶瓷、聚苯乙烯等，并在這些介質的單面敷銅、鋁或金等金屬或者雙面都敷。同時在進行基片選擇的時候最終還是要由工作頻率和天線的應用條件決定。例如，低頻帶天線為了減小尺寸往往應用高介電常數的材料作為基片。同時在選擇基片材料的時候除了要考慮所選材料的介電常數和損耗角正切還要其隨頻率的變化，其在加工過程中的加工性能和其抗拉強度、抗沖擊性能等等。

最后，根據常規的計算公式可以計算出這種結構的天線設計中的各種參數。計算結果見表2。

表2 天線的最終尺寸

對于設計的E型貼片天線使用HFSS仿真軟件進行仿真，從仿真結果可以看出利用E型貼片結構來進行拓寬帶寬是非常有效果的。在使用頻率范圍內，帶寬均高于10%。但是在增益方面，發現E型貼片結構在增益方面效果一般，一般都在7.1至8之間。所以，通常在對增益效果要求不高的時候可以使用這種E型貼片結構進行天線設計，但是增加增益將是在拓寬帶寬的基礎上下一步需要進行的研究。

3 總結

S波段微帶天線體積小，重量輕，易于共性，是目前應用最為廣泛的天線之一。但是其有一個重要缺點是頻帶較窄，為了解決微帶天線的頻帶問題，近年來，相關工作者做了大量的工作。其中主要有四種方法，本文介紹了主要的兩種，分別是在貼片兩邊開槽和增加寄生貼片的方法。這兩種方法結構簡單，設計出的天線通過仿真實驗可以看出性能都非常好，完全滿足了寬帶天線的技術要求。但是這兩種結構還存在一些問題，如在貼片兩邊開槽的S型微帶天線在高頻段的輻射性能較差，而增加寄生貼片的E型貼片結構設計的天線增益效果不理想，這些都需要工作人員在以后的工作中進一步研究。

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