適用于FDD-LTE/WCDMA的寬頻微帶貼片天線設計

（西南交通大學 電磁場與微波技術研究所，四川 成都 610031）

近年來，在無線通信技術的推動下，現代通信天線向寬頻帶、小型化、高增益、低成本的方向發展。貼片天線因其體積小、低剖面、制作簡單、易集成于微波電路等特點引起了人們的廣泛關注。貼片天線必需的元件包括地板、輻射板、饋電結構和必要介質基板的支撐。通常，在天線輻射板和接地板之間采用價格低廉的發泡層，兩板之間的間距為(0.03～0.12)λg（λg為匹配好的阻抗帶寬低端頻率的波長）。由于間距較大，介電常數較低，常采用同軸長探針或類似的饋電結構對輻射板進行饋電激勵。但長探針會引入較大的引線電感，從而導致差的阻抗匹配，對于一般的貼片天線阻抗帶寬限制在 8%左右。想要實現滿足現代移動通信要求的帶寬，就必須設計一些新型的阻抗匹配技術。

目前，微帶貼片天線常采用在諧振頻率附近引入一個額外的諧振體來增加微帶貼片天線的阻抗帶寬。這些寄生的諧振體（通常也是貼片）可以附著在主貼片的同一層上[1]；或疊加在主貼片上，做成雙層或多層天線[2]。前一種通過縫隙耦合的方式引入額外的諧振，但是增加了天線的體積，這與小型化天線的目標相背。后一種疊層結構中，由于主貼片與疊層貼片之間的強耦合，附加的諧振器被激勵得較好。對于單層的貼片天線，為了引入額外的諧振，可以采用在輻射板上刻出一條或多條縫隙。通過在輻射板上的不同位置開不同形狀的槽縫隙，縫隙邊緣電流引入了附加諧振，同時，縫隙也引入容抗，與探針的感抗相抵消，從而展寬頻帶。大量研究[3-8]表明，大的寬長比W/L和h＞0.06λ1的厚度以及在輻射體上刻出各種形狀的槽縫隙可以達到 20%的頻率帶寬。

為了設計一種適用于 FDD-LTE/WCDMA的微帶貼片天線，本文提出了一種在輻射板上開新型倒“T”形槽縫隙的結構，引入額外諧振。同時設計了一種新的饋電結構，在饋電探針和輻射板之間插入垂直饋電片，來補償饋電探針和輻射板之間由于長探針引入的高感抗。通過改變槽的尺寸、位置和形狀可以有效改善天線的阻抗帶寬，獲取更寬頻段。仿真結果表明，該天線的S11≤–10 dB的相對帶寬為30%，覆蓋1.7～2.3 GHz頻段，滿足通信系統頻段的帶寬要求，工作性能穩定，1×2陣列天線最大增益達到12.6 dBi，輻射特性好，滿足基站天線設計要求。

1 天線設計

本天線的設計遵從傳統的微帶貼片天線設計理念，圖1給出了天線的幾何結構。天線最上層為矩形輻射板，中間為饋電結構，下層為介質基板和接地板。

圖1 天線視圖Fig.1 Views of the antenna

介質基板采用 FR4介質材料（εr=3.38 tanδ=0.0037），厚度為Hs，大小為 180 mm×96 mm。介質基板下方為接地板，位于xy平面，z軸在接地板的幾何中心。輻射貼片通過4個塑料支柱固定在介質基板上，塑料柱的半徑為2 mm，支柱的材料為Teflon_Based（εr=2.08）。

輻射板大小為W×L，與介質基板的距離為Hg。在輻射板上開有倒“T”形槽，如圖1（b），槽位于輻射貼片中央，距離貼片邊緣為Dt，為了增大帶寬，在槽中央設計一個用于饋電的薄板，與槽的兩邊緣相距L2。薄板中央下方垂直焊接一個大小為Lf×Wf的矩形銅薄片，矩形饋電貼片由50 Ω的同軸探針在底部饋電。SMA同軸探針位于接地板底部，饋電點位于輻射板中心。因此，輻射板是由一個銅板線性饋電而不是由一個探針點饋電。為了增大貼片天線的阻抗帶寬，在輻射板和探針之間增加了一個阻抗變換器。同時，阻抗匹配的提高還可通過調整輻射板與地板之間的距離Hg，當Hg增大時，輸入電容也會相應增大。

本設計天線主要工作在1.7～2.3 GHz頻段。由于天線的諧振頻率與輻射貼片的尺寸和開槽縫隙的形狀以及尺寸有關，通過改變天線的結構參數來達到調整諧振頻率的目的。輻射貼片尺寸與諧振頻率的關系如下[9]：

式中：c為光速；fr為天線的諧振頻率；εr為相對介電常數；εe為有效介電常數；DL為貼片的延伸常數。

通過上述(1)～（4）式，得到未加載“T”形縫隙的矩形貼片天線的近似尺寸，再通過 HFSS建模，加載“T”型縫隙仿真優化，得到天線性能較好的一組天線結構參數。天線的具體參數如表1所示。

表1 天線的結構參數Tab.1 Parameters of the antenna mm

由于現在通信環境復雜，對天線增益要求高，因此在天線單元基礎上，組成一個1×2的天線陣列，為了滿足基站天線對輻射增益的要求，并增加一個天線反射板的設計。圖2給出了1×2天線陣列的結構和尺寸結果。兩個輻射貼片通過八個塑料支柱固定在介質基板上，基板下表面為接地金屬層。天線饋電結構印刷在基板的上表面，陣列采用如圖2（b）所示的等相位等振幅的并饋結構，這種一分二功分器可覆蓋1.7～2.3 GHz的帶寬，基本形式是Wilkinson功率分配器。在距離天線下方四分之一波長處加一個平板反射器，反射板尺寸為360 mm×150 mm，通過金屬支柱將天線支架固定在反射板上。金屬柱的半徑為2 mm，高為27.5 mm。

2 仿真分析

影響天線性能的主要因素有輻射貼片尺寸，開槽縫隙的形狀和尺寸以及輻射板與地板之間的距離。利用三維電磁仿真軟件 HFSS對該天線進行仿真優化，天線的阻抗特性頻段為1.7～2.3 GHz。在保持其他參數不變的情況下，天線的反射系數S11隨縫隙的臂長L1以及天線的高度Hg變化的頻率特性曲線如圖3和圖4所示。由圖3可知，當天線縫隙L1增大時，由天線產生的主諧振頻率和縫隙引入的額外諧振頻率相互靠近，從而展寬天線的阻抗帶寬，當L1=25 mm時，天線的阻抗匹配達到最佳。

圖2 陣列天線視圖Fig.2 View of array antenna

圖3 天線反射系數S11和L1的關系Fig.3 Relationship of S11 of antenna and L1

由圖4可知，改變天線輻射貼片與地板的距離Hg，即改變空氣層的厚度，從而對天線的阻抗匹配有較大影響，當距離Hg=10 mm時，天線阻抗帶寬達到最大。天線的仿真結果證明：天線縫隙的臂長L1以及天線的高度Hg對天線的阻抗匹配有較大影響。

圖4 天線反射系數S11和Hg的關系Fig.4 Relationship of S11 of antenna and Hg

通過 HFSS軟件對天線各個結構參數進行仿真優化后，得到了單元貼片天線反射系數S11的頻率特性曲線如圖5。仿真結果顯示本設計微帶貼片天線實現了S11≤–10 dB的阻抗帶寬為30%，覆蓋了1.7～2.3 GHz頻段。在頻段內平均增益達到8.3 dBi，在1.9 GHz時主射方向最大增益達到9.2 dBi。表2給出了該單元天線與其他微帶貼片天線的性能對比結果。可以看出，此天線有著良好的帶寬和輻射特性，在增益和帶寬方面明顯優于其他微帶貼片天線。

圖5 天線S11和增益曲線Fig.5 S11 and gain plots of the antenna

表2 微帶貼片天線結果對比Tab.2 Comparison of the proposed antenna with other reported works

圖6為天線陣列和天線單元的反射系數S11和增益對比，當天線組成陣列后，由于兩個天線之間相互耦合，會激勵新的模式，產生新的諧振頻率點，但會對阻抗匹配產生影響，因此陣列天線出現3個諧振頻率。天線的增益G與最大有效孔徑面積的關系如下式：

式中：λ為天線的工作波長；Ae是天線的有效孔徑面積（接近實際的物理孔徑面積）。陣列天線在1.7～2.3 GHz工作頻段內，平均增益達到10.6 dBi，在1.9 GHz時主射方向最大增益達到12.06 dBi。根據式（5）可知，二單元陣列天線的有效孔徑面積Ae是單元天線的兩倍，因此在1.9 GHz時陣列天線主射方向最大增益相比單元天線提高3 dBi，理論結果與仿真結果相近。

圖6 陣列天線與單元天線S11和增益曲線Fig.6 S11 and gain plots of element and array antenna

圖7為矩形輻射貼片表面電流的分布。由圖7（a）可以看出在矩形貼片上加載一個倒“T”型槽，貼片上電流的分布發生改變，主要集中在槽縫隙周圍，導致貼片的主模受到擾動，從而在低頻段諧振頻率也發生相應的改變。在高頻段，天線會激勵高次模，表面電流分布如圖7（b），電流除了主要分布在槽縫隙周圍，還分布在輻射貼片的邊緣。可見，通過加載縫隙的方法可以改變貼片表面電流路徑，可增大天線的工作頻帶。

其次，對天線在1.7～2.3 GHz的輻射波瓣圖進行了分析研究，圖8給出了單元天線和陣列天線工作在1.7～2.3 GHz的E面和H面（即Phi=90°和Phi=0°）輻射波瓣圖。如圖8中，當天線工作在低于2 GHz的頻段時，天線波瓣圖類似于貼片天線，且E面和H面主射方向均在0°方向；當天線工作在高于2 GHz頻段時，天線會激勵高次模，天線的輻射波瓣圖在主射方向發生了比較大的畸變。陣列天線的最大增益如圖6，在低頻段（1.6～2.0 GHz）天線主要產生主模，增益超過了 11.34 dBi，最大增益達到 12.06 dBi。在高頻段（2.0～2.3 GHz），天線激勵高次模，增益有所降低，但整體輻射性能良好。

圖7 天線工作時的電流分布圖Fig.7 The current distributions of the antenna

圖8 單元天線和陣列天線在各個中心頻率的輻射方向圖Fig.8 The radiation patterns of the element and array antenna at 1.7, 1.9, 2.1, 2.3 GHz

3 結論

提出了一種加載倒T型縫隙的貼片天線。天線工作于1.7～2.3 GHz頻段，S11≤–10 dB的相對帶寬為 30%，天線的整體輻射特性良好，1×2天線陣列最大增益達到 12.6 dBi，可應用于 FDD-LTE和WCDMA工作頻段的移動通信基站。

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