一種W形小型化微帶天線的設計與仿真

亓協興 陳彥錚

摘 要：本文設計了一種W形結構的小型化微帶貼片天線，通過在貼片頂端加載電容片，并且在電容片上加蓋適當厚度的介質板來組成另一個輻射體，從而展寬天線的工作頻帶。利用電磁仿真軟件Ansys HFSS對此天線進行了仿真設計與分析。結果表明天線參數表現良好，在1.92GHz～2.15GHz頻帶內達到11.4%的相對帶寬（VSWR<2）。該天線整體結構緊湊簡單、增益高、方向性好、成本低等優點，能夠滿足一般應用。

關鍵詞：微帶天線；W形結構；相對帶寬；駐波比

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.103

0 引言

微帶天線具有體積小、重量輕、低剖面、易與載體表面共形、制造工藝簡單和成本低等諸多優點。由于其較高的工程價值，在移動通信、航天航空、導彈等領域得到了廣泛的應用[1-2]。另外，室內短距離通信，比如藍牙通信、射頻識別、無線鼠標等都需要小型化天線[3]，這些需求給微帶天線提供了廣闊的應用平臺。但是，微帶天線也有頻帶窄、增益低等缺點，這些缺點限制了微帶天線的進一步應用[4]。因而，拓展帶寬、提高增益成為微帶天線研究的關鍵問題。基于此，本文設計了一種W形小型化微帶貼片天線。采用表面開槽的輻射貼片，貼片表面的電流路徑發生彎曲，有效路徑變長。因此，在保證貼片幾何尺寸不變的情況下，采用W形的輻射貼片可以使天線諧振頻率降低，實現天線的小型化；同時，在貼片的頂端覆蓋電容片以及介質板來展寬頻帶。

1 天線的設計

經過優化，不斷地調節如接地板、貼片、電容片的大小、厚度等參數，天線的結構和尺寸如圖1所示。此天線采用兩塊介電常數為2.55的介質板，厚度為0.68mm；接地板的厚度為1mm；貼片、電容片的厚度均為0.033mm。該設計中采用同軸側饋的饋電方式，并通過計算饋電片的大小，使輻射單元與饋電結構的阻抗匹配。從圖1中可以看出，貼片形狀為W形，貼片上覆蓋有一塊截去四角的正方形電容片，貼片與電容片平行且相距7.73mm，電容片上又覆蓋了一塊相同的介質板，使其和電容片又構成一個輻射體。所以從上到下，有兩個輻射體，分別決定兩個諧振頻率點，起到展寬頻帶的作用。

2 天線的仿真分析

根據以上數據通過HFSS 軟件對上述設計的天線進行仿真，得到天線的回波損耗S11、方向圖和駐波比等仿真結果。

圖2所示為天線駐波比?？梢钥闯鲈?.92GHz～2.15GHz頻段上駐波比小于2.0，符合大多數天線應用場合的要求；另外，駐波比有兩個波谷值，表示兩個諧振點。如對天線參數進行改變，使兩個諧振點遠離，則該天線可變為雙頻天線。

圖3所示為天線方向圖。從圖中可以看出，天線的增益約為8dB，方向性非常好，副瓣模為零。該天線為半空間輻射，但可以做成天線陣列，擴展輻射范圍。

3 總結

現代通信技術迅速發展對天線的性能要求越來越高。本文設計了一種W形小型化微帶貼片天線，在1.92GHz～2.15GHz頻段內天線參數表現良好，滿足一般的設計要求。

本設計對微帶天線的頻帶展寬提供了一個良好的思路，即通過增加諧振點來展寬天線的頻帶。

根據特定要求，此天線只要做適當的改動，即可做成雙頻或多頻的天線；還可以通過增加W形貼片的數量，得到蛇形天線[5]，使性能進一步提高。

參考文獻：

[1]房明明.淺談圓極化微帶天線[J].山東工業技術，2013（11）：225.

[2]彭菊紅，王仕章，邱桂霞等.北斗寬波束“U”型槽雙頻微帶天線的設計[J].計算機測量與控制，2018（03）.

[3]何蔚.小型化與寬頻帶天線技術研究[D].上海：上海交通大學，2008.

[4]李梅.折疊式新型寬帶微帶天線的工程設計[D].南京：南京理工大學，2008.

[5]許佳.小型LTCC天線的研究與分析[D].浙江：浙江工業大學，2004.

作者簡介：亓協興（1989-），男，山東聊城人，博士，講師，主要研究方向：計算電磁學及天線應用。