一種小型寬頻帶縫隙天線的設計

王代華 韓峰

關鍵詞： 縫隙天線; 寬頻帶; Ansoft HFSS; 模型仿真; 結構優化; 無線通信

中圖分類號： TN822+.8?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）03?0031?04

Abstract： A novel compact minitype broadband microstrip antenna working in 10 GHz broadband is designed， which takes FR4 with the size of 24 mm×23 mm×1.6 mm as its substrate. A slot composed of regular hexagon and symmetrical cross type patches is designed in the center location of substrate ground plane to enlarge the working bandwidth. The microstrip line is located in the opposite side of the substrate. The electromagnetic simulation software Ansoft HFSS is used to perform the model simulation and structure optimization for the antenna. The antenna was processed and tested. The results show that the working bandwidth of the antenna covers the range of 3.6～13.6 GHz， the impedance bandwidth can reach up to 116%， and the antenna has perfect radiation characteristic in the frequency band. The reflection loss curves and radiation pattern are given. The test results are basically the same with simulation results. The design provides a certain reference for the study on broadband wireless communication.

Keywords： slot antenna; broadband; Ansoft HFSS; model simulation; structure optimization; wireless communication

0 ?引 ?言

小型縫隙天線在雷達、遙測與移動通信等領域扮演著重要角色。微帶縫隙天線具有體積小、剖面低、重量輕、成本低、加工容易、易于集成和實現寬帶和多頻等眾多優點。同時結合通信系統小型化、輕型化的發展趨勢和需求，微帶縫隙天線在移動通信領域有著極大的社會需求，良好的市場前景和應用前景[1?3]。根據對超寬帶頻段中電流的分布分析可知，電流在低頻段時分布在單極天線邊緣的垂直平面上，在高頻段時分布在平行面上[4]，這表明可以在貼片天線上開槽來提高天線帶寬。此外，在天線接地面開導體槽對于實現天線寬頻帶特性有著重要作用，因為它可以在不改變天線大小的情況下調整接地面和寄生貼片之間的耦合電容，進而改善其阻抗帶寬[5]。

文獻[6]提出一種帶寬為3.12 GHz，大小為37 mm×37 mm的縫隙天線，通過在基底接地面開一個正方形縫隙，在縫隙中間加載一個形狀相似的導體貼片來增加帶寬。文獻[7]設計一種帶寬為8 GHz，接地面是C型槽和L型相結合的縫隙與T字型寄生貼片組成的小型化縫隙天線。文獻[8]設計一種頻率可重構縫隙天線，在基片一側刻蝕出非對稱十字形和矩形結合的貼片，反面是一個相似的非對稱十字形導體貼片。該天線帶寬為8.2 GHz。文獻[9]提出一種超寬帶縫隙天線，該天線由嵌入在T形枝節上的縫隙和地板上的縫隙構成一個兩階濾波器來實現其選擇性和寬頻的特性。文獻[10]采用在輻射貼片開H型槽和開C型槽的方法實現在WiMAX頻段和WLAN頻段帶阻抑制特性的平面超寬帶天線。

目前主要是在頻帶上對六邊形縫隙天線進行研究，如實現多頻或者拓寬頻帶[9?10]天線。本文設計一種在正六邊形縫隙環中加載一個對稱的十字形貼片縫隙天線，諧波與雜散波的抑制能力增強，在3.6～13.6 GHz頻段內回波損耗均低于-10 dB，帶寬達到了10 GHz。該天線結構簡單緊湊，尺寸微型化（25 mm×25 mm），有較穩定的輻射特性，可用于飛行器與地面的數據通信，可作為便攜式衛星接收信號終端的天線，能有效擴展使用頻段，在厘米波探測及通信領域有廣泛的使用價值。

1 ?天線結構的設計與分析

設計的縫隙天線結構如圖1所示，以介電常數為4.4，正切損耗為0.02的環氧樹脂（FR4）為基板，其長為[W1]，寬為[W2]，在基板接地金屬面的中心是一個正六邊形的縫隙。一方面通過該縫隙輻射貼片和接地面之間進行電磁耦合，不斷改變縫隙的結構和饋電結構來改變其耦合電容的大小，從而使天線在很寬的頻段內阻抗都能相匹配。另一方面，微帶線給六邊形縫隙進行饋電，產生多個諧振點，這些諧振頻率相重合，當達到天線的最高和最低諧振頻率時可以有效增加帶寬。正六邊形的邊長為[s]，頂點距離中心位置為[n]，在縫隙的中心是一個對稱交叉的十字型貼片，其尺寸如圖1中的[a]和[b]。在介質板的另一側采用特征阻抗為50 Ω的微帶線饋電，如圖1b）所示，其寬度為[e]，高度為[g]。

2 ?天線的仿真優化分析

該天線采用商業軟件Ansoft HFSS軟件對所有參數進行詳細優化設計。首先討論改變縫隙的大小對帶寬的影響，而縫隙的大小受對稱十字交叉型貼片的結構參數[a]和[b]以及正六邊形的結構參數[n]的影響。先分別設定[a]的變化范圍為0.7～2.7 mm，[b]的范圍為2.6～4.6 mm，對參量[a]和[b]進行參數掃描分析，研究十字交叉型貼片對天線帶寬的影響，仿真結果如圖2所示。

由圖2a）可知，隨著[a]的增大，天線的帶寬在增大。當[a=]2.7 mm時，在頻率為5.2 GHz處，回波損耗為-8.82 dB，大于-10 dB，不符合天線的工作要求，當[a=]1.7 mm時，天線帶寬達到最大為10.1 GHz（3.6～13.7 GHz）。由圖2b）可知，隨著[b]的增大，增強了寄生貼片與接地面之間的耦合，從而增加了它們之間的等效電容，導致頻帶內低端諧振頻率降低，當[b=]3.6 mm時，天線帶寬達到最大為9.93 GHz（3.62～13.55 GHz）。

圖3a）為改變六邊形大小對帶寬的影響，通過改變[n]的值來調整縫隙區域的面積，此時[a=]1.7 mm，[b=]3.6 mm。從圖中可見，隨著[n]的增大，低端諧振頻率降低，由于當[n=]9.4 mm和[n=]11.4 mm時中間均有部分頻率的回波損耗大于-10 dB，不滿足天線工作要求，故當[n=]10.4 mm時，帶寬為9.9 GHz（3.67～13.58 GHz）。

圖3b）為回波損耗隨[g]變化對帶寬影響的曲線，通過改變微帶饋線的高度[g]可以改變微帶饋線和輻射貼片之間的耦合縫隙大小，[g]的變化范圍為9.6～11.6 mm，其他參量保持不變。由圖可知，隨著微帶饋線長度的增加，低端諧振頻率也增大，這是由于寄生貼片與微帶饋線之間的等效電容在減小，當[g=]10.6 mm時，帶寬達到了10 GHz（3.66～13.65 GHz）。

通過HFSS進行模型優化確定最優尺寸后，選擇分別在4 GHz，8 GHz和12 GHz三個頻點處進行了E面（[Z?X]平面）和H面（[Z?Y]平面）的輻射方向圖的仿真，如圖4所示。

由圖4可知，該天線隨著頻率的增加從4～8 GHz H面輻射方向圖顯示出近全向輻射特性，頻率增大到12 GHz時，H面輻射特性變化不大，所以H面在工作頻帶范圍內具有穩定，全向輻射特性。而E面呈雙向性，在4 GHz時，天線輻射特性較好，在8 GHz時，方向圖稍有變形，但其輻射特性也很好，當頻率達到12 GHz時，高次諧波使E面出現了副瓣。

天線電流分布圖與實物圖如圖5所示。從電流分布圖可知，在饋電口電流較大，即饋電口對天線的影響較大，要想使天線性能更佳，可以對其進行更進一步的優化。

圖5b）為天線實物圖，通過采用Ansoft HFSS軟件對天線若干參量的優化分析，得出的最優尺寸為[a=]1.7 mm，[b=]3.6 mm，[e=]1.6 mm，[g=]10.6 mm，[n=]10.4 mm，[W1=W2=]25 mm。根據該尺寸加工出天線實物。

3 ?結果與討論

對實物使用安捷倫N5224A矢量網絡分析儀對天線的回波損耗進行測試，圖6為回波損耗仿真與測試結果。

從圖6可知，該天線測試的帶寬和仿真的帶寬相差不大，但是也存在一定的誤差，且在不同諧振點處回波損耗[S11]的實測值與高頻電磁仿真軟件HFSS 的模擬結果存在一定的誤差。這是因為天線在加工過程中制造精度存在一定的誤差，寄生貼片幾何尺寸的微小變化可能會對結果產生較大的變化。也可能是天線輻射貼片的金屬銅產生氧化作用，形成氧化銅，從而對輻射性能也會產生一定程度的影響。另外，天線的焊接處接觸不良也會引起一定的損耗，在測試過程中，測試接口、測量環境以及外界的雜波都會引入一定的損耗，都會使測試結果產生一些不可避免的誤差。在微波暗室中，墻壁吸波不完全，同時也不能完全隔離外界雜波。在測試時發現，當天線的位置有微小變動時，測試結果會發生很大變化;當用兩個不同的分析儀器測量時會發現結果也會很不一樣。

4 ?結 ?論

本文設計一種縫隙由正六邊形和對稱十字形組成的小型化寬頻帶天線。通過調整縫隙的大小以及縫隙與饋電線的耦合實現寬頻帶，使用HFSS軟件仿真優化得出最優尺寸，使天線結構與縫隙的各項參數更為合理，使用矢量網絡分析儀對天線實物的回波損耗進行測試。測試結果表明，該天線的阻抗帶寬（VSWR<2）為10 GHz（3.6～13.6 GHz），有效改善了一般小型縫隙天線頻帶窄的缺點，在E面和H面均具有良好的輻射特性。該天線結構緊湊，尺寸較小，提高了阻抗帶寬，易于加工，使用一般PCD加工方式，方便集成且易于與各種設備或電路集成，成本低，便于大批量生產，符合無線通信系統的應用需求以及寬帶無線局域網（WLAN）的應用需求，是一種有著較好性能且具有一定實用價值的天線。

注：本文通訊作者為王代華。

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