新式凹槽形縫隙超寬帶微帶天線的設計?

于仕輝，婁文濤，董和磊，安文星

(1.天津大學微電子學院，天津 300072；2.中北大學儀器與電子學院，山西 太原 523808)

近年來，隨著移動通信技術[1－2]的不斷發展，頻率資源的使用日益匱乏，通信系統對于寬帶天線的需求越來越大，特別是FCC(美國聯邦通訊委員會)于2002 年2 月將3.1 GHz～10.6 GHz 頻段劃歸為民用超寬帶頻段后[3－5]，有關于超寬帶天線的研究開始蓬勃發展起來。微帶天線是一種諧振式天線，具有剖面低、結構簡單、易集成的優點，但是它的固有缺點—阻抗帶寬窄，限制了其在微波領域中應用。因此，如何將普通微帶天線的帶寬增大到UWB(超寬帶)頻段是目前亟需克服的難題。

一般來說有以下三種方法[6]可以增大微帶天線的帶寬:(1)減小品質因數Q[7](通過提高介質基板的厚度或者減小其介電常數)；(2)附加阻抗匹配網絡[8]；(3)天線陣的設計[9]。第一種是通過加大介質基板厚度從而降低其品質因數，但是加大了天線的尺寸，導致集成困難，后兩種方法一般是改變天線的結構，制作比較復雜。針對上述問題，相關研究人員設計出了超寬帶印刷型縫隙天線[10]，其與超寬帶單極子天線[11]一樣都是采用微帶饋線或者共面波導(CPW)進行饋電，并且一般主要采用三角形、橢圓形、長方形等形狀的縫隙結構[12－13]，縫隙可以開在輻射金屬板或者接地板上[14－17]，其形狀對天線性能有著重要影響，并且其對加工精度要求低，易于制作，可采用標準的光刻工藝制作在敷銅電路板上，具有良好的應用遠景。

本文設計了一款基于凹槽形縫隙的微帶超寬帶天線，該天線在其接地板上開出凹槽形縫隙，通過金屬微帶線饋電并與縫隙耦合來增大帶寬，從而實現超寬帶天線的輻射。該縫隙天線結構緊湊，易于集成，同時具有良好的阻抗匹配特性和較高的增益，仿真結果表明，其阻抗帶寬可達到117%(2.2 GHz～8.4 GHz)，實現了超寬帶特性。最終制作了天線的實物模型并對其進行測試，得到其阻抗帶寬為113%(2.2 GHz～8.0 GHz)，最高增益達到6 dB，平均增益為4 dB。且其具有小型化、集成度高、制作簡單的優點，可以用在多種通信系統中，具有較好的應用前景。

1 天線的設計

本文采用一種凹槽形開口縫隙，在相同接地板尺寸的情況下，凹槽形縫隙比矩形窄縫的實際耦合面積大大增加，從而增大天線輻射的電磁耦合量，保證在較大的頻率范圍內實現較好的阻抗匹配特性，因此增加了縫隙微帶天線的阻抗帶寬。該天線是一種多邊形縫隙天線，可以通過其多諧振特性產生超寬帶工作頻段，而且與長方形、三角形或橢圓形縫隙超寬帶天線相比較，凹槽縫隙結構的超寬帶天線可調整的尺寸參數更多，故更容易實現阻抗匹配。

該天線的最低諧振頻率可以通過改變凹槽形縫隙的尺寸大小來調整。凹槽形縫隙天線的最低諧振頻率可以通過下面的多邊形縫隙天線公式得到:

式中:f為凹槽形縫隙天線的諧振頻率，c為真空中光速，εr為介質基板的相對介電常數，L為縫隙的邊長。此外，微帶饋電線的阻抗對于天線阻抗匹配也有一定的的影響，一般為50 Ω 最合適，其尺寸計算公式如下所示:

式中:Z為微帶饋電線的特性阻抗，εr為介質基板的相對介電常數，h為微帶饋電線與接地面之間的介質厚度，w為饋電線的寬度。該凹槽形縫隙超寬帶天線的設計過程如下所述:首先根據式(1)確定縫隙的大概尺寸，使其在低頻(3 GHz～4 GHz)范圍內產生諧振點，初步定為3.4 GHz；然后根據式(2)確定饋電線的尺寸參數，使其特性阻抗為50 Ω；最后調整縫隙的位置和尺寸參數，使得其在2.2 GHz～8.4 GHz 頻段內具有優良的阻抗匹配及輻射特性。

本文設計的新式凹槽形縫隙超寬帶天線的結構如圖1 所示，該天線主要由介質基板、接地板、微帶饋線三部分組成。首先在接地板上開出一定形狀的凹槽形縫隙，然后在介質基板的上表面印制了金屬微帶饋電線，用來對天線進行饋電并且激勵縫隙，進而拓寬工作頻帶。介質基板的尺寸為55 mm×55 mm×1.5 mm，采用FR4 材料，相對介電常數εr＝4.4。關于所有阻抗匹配的研究是通過ANSYS HFSS 14.0實現的。天線的關鍵參數以S11性能和阻抗匹配為優化目標得到，具體的天線尺寸參數在表1 中給出。

圖1 凹槽形縫隙超寬帶天線

表1 天線的基本尺寸參數

2 參數分析

2.1 凹槽形縫隙邊長L0 對阻抗帶寬的影響

分別選取L0＝42 mm，L0＝43 mm 以及L0＝44 mm 這三種不同情況對天線進行仿真分析。由圖2可以得到，隨著L0的增大，天線的諧振頻率幾乎不變(3.4 GHz)，但是天線的帶寬呈現先增大后減小的趨勢，在L0＝43 mm 的情況下，得到最大的阻抗帶寬117%(2.2 GHz～8.5 GHz)，且此時天線的反射系數最大，為－42.33 dB，天線收發效果最佳。綜合考慮，選取L0的大小為43 mm。

圖2 矩形縫隙邊長L0 對阻抗帶寬的影響

2.2 縫隙的位置d1、d2 對天線性能的影響

(1)縫隙與基板左側的距離的d1對天線輻射特性的影響

分別選取d1＝6.4 mm，d1＝7.4 mm 以及d1＝8.4 mm 三種不同的情況對天線進行參數分析。經過HFSS 仿真之后，可以得到圖3 的反射系數曲線。從圖3 可以看出，隨著d1的增加天線的諧振頻率先增高后降低，同時會影響天線的反射系數，隨著d1的增大，天線的反射系數也是先增大后減小，在d1＝7.4 mm 時達到最高點，為－58.39 dB。天線的阻抗帶寬隨著d1的增加逐漸變大，在d1＝8.4 mm 時獲得最大值，為118%(2.1 GHz～8.2 GHz)，d1＝7.4 mm時稍小，為115%(2.2 GHz～8.2 GHz)。綜合考慮，取d1＝7.4 mm 時，天線獲得最佳的性能。

圖3 矩形縫隙的位置d1 對阻抗帶寬的影響

(2)縫隙與基板前側的間距d2對天線輻射特性的影響

固定縫隙與基板左側的距離d1＝7.4 mm，然后分別取d2＝5 mm，d2＝5.4 mm 以及d2＝5.8 mm 三種不同的情況對天線進行參數分析。經過HFSS 仿真之后，可以得到圖4 的反射系數曲線，從圖中可以看出，隨著d2的增大，天線的諧振頻率也隨之增高，在d2＝5.8 mm 時達到3.7 GHz，但是天線的反射系數先增加后降低，在d2＝5.4 mm 時到達最高點，為－53.56 dB，與此同時天線的阻抗帶寬逐漸減小，由117%減小為116%。綜合考慮天線的阻抗帶寬與反射系數，選取d2＝5.4 mm。

圖4 矩形縫隙的位置d2 對阻抗帶寬的影響

2.3 微帶饋電線位置d3 對天線性能的影響

金屬微帶饋電線主要用來對天線進行饋電并且激勵凹槽形縫隙，其尺寸及位置參數會影響饋電線的阻抗大小，進而影響天線的阻抗匹配特性，故應研究分析饋電線的尺寸參數L1、W1及位置參數d3對天線輻射特性的影響。一般來說饋電線的阻抗應為50 Ω，經由初步計算后得到其尺寸參數，即微帶線的長度L1＝15 mm，微帶線的寬度W1＝2.3 mm。經過HFSS 電磁仿真軟件仿真后得到其史密斯圓圖，如圖5 所示，可以清楚地看出天線在諧振頻率3.4 GHz 處的歸一化阻抗大約為1(即50 Ω)，達到最佳匹配效果。

圖5 縫隙天線的smith 圓圖

在得到饋電線最佳尺寸參數后，接下來研究分析饋電線的位置參數d3對天線輻射性能的影響。微帶饋電線的位置d3分別取d3＝31 mm，d3＝32 mm，d3＝33 mm 三種情況，經過仿真后得到的反射系數曲線如圖6 所示。可以從圖6 中得到，隨著d3的增加，天線的諧振頻率基本上沒有變化，但是天線的反射系數先增大后降低，在d3＝32 mm 時達到最大，為－42.33 dB。而天線的阻抗帶寬在d3＝31 mm時最大，為118%(2.2 GHz～8.6 GHz)，但是其反射系數較小，為－35.87 dB。綜合考慮應選擇d3＝32 mm，可以得到更好的天線性能。

圖6 饋電線的位置d3 對阻抗帶寬的影響

通過以上的一系列參數的對比分析，可以得到當凹槽形縫隙邊長L0＝43 mm，縫隙位置d1＝7.4 mm，d2＝5.4 mm，饋電線位置d3＝32 mm 時天線獲得最佳的阻抗帶寬匹配效果，擁有比較好的反射系數頻帶，滿足超寬帶天線設計的基本需求。

3 結果與分析

3.1 仿真分析

在對天線的尺寸參數進行分析與優化之后，確定了最佳尺寸參數，從而得到了最佳的天線輻射特性，天線的相關仿真結果如下所示。圖7(a)給出了優化后的超寬帶凹槽形縫隙天線的反射系數S11曲線，從圖中可以看到優化后的微帶縫隙天線的諧振頻率3.4 GHz，天線工作在S11<－10 dB 的頻率范圍是2.2 GHz～8.4 GHz，即阻抗帶寬為117%，符合超寬帶天線的頻段要求，并且從圖7(b)中也可以看出天線的電壓駐波比在上述頻段內，同時滿足VSWR<2 的要求，說明天線的阻抗匹配效果比較好。

圖7 縫隙天線的反射系數圖像和電壓駐波比曲線

圖8 是該天線分別在工作頻率為3.4 GHz、5 GHz 和5.5 GHz 處的E(電場方向)平面和H(磁場方向)平面的仿真方向圖。從圖10 中可以看出，在E 平面內，天線在工作頻率3.4 GHz、5 GHz 和5.5 GHz 處都具有近似“∞”的輻射方向圖，可以看出H面的方向性不是很好，但是天線的增益比E 面高，并且隨著頻率的增加，H 面開始呈現出近似對稱的全向化輻射方向圖，具有較穩定的輻射性能。圖9是天線的增益曲線，從該圖中可以發現天線的增益在有效帶寬范圍內在為負值(－7.5 dBi～－5 dBi)，且隨著頻率的增大先增大后減小，是由于微帶縫隙天線本身的損耗過高造成其天線的輻射效率降低，從而導致天線的增益為負值，其可在后續研究中進一步設計來改善其性能，提高天線的增益。

圖8 縫隙天線不同頻點的方向圖

圖9 縫隙天線的增益曲線

3.2 天線性能分析

根據仿真結果，對天線進行了實物制作。天線實物模型如圖10 所示。經過網絡分析儀對天線進行測試，可以得到天線的反射系數S11的實測值，其與仿真值的結果比較如圖11(a)所示，從中可以看出阻抗帶寬的實測值與仿真值較為接近，展現出良好的匹配特性，阻抗帶寬為113%(2.2 GHz～8.4 GHz)。同時，可以看出實測與仿真結果有一定出入，出現了兩個下降峰，分別在2.2 GHz～2.6 GHz、6.6 GHz～6.9 GHz 范圍內，推測第二個下降峰出現的原因可能是由于天線的測試環境處于開放的室內，可能存雜波的干擾；而第一個下降峰的諧振頻率出現明顯偏移，分析是由于天線加工過程中引入了阻焊材料，造成介質基板整體的介電常數增加，從而造成天線諧振頻率的明顯降低(<3.4 GHz)。天線實物測試的相關增益曲線如圖11(b)所示，從中可以看出天線在有效頻段內增益最高可達到6 dB，平均增益為4 dB 左右。

圖10 縫隙天線實物模型

圖11 仿真與實測反射系數圖和縫隙天線的增益曲線

4 結論

本文提出了一種新式的微帶凹槽形縫隙超寬帶天線，通過在天線的接地板上開出凹槽形結構的縫隙，并利用微帶饋電線對其進行耦合激勵來拓展頻帶，克服了普通縫隙天線頻帶窄的缺點。通過高頻電磁仿真軟件HFSS 對天線進行設計與仿真分析，并且對各個相關參數進行分析優化，研究了其性能，得出了天線的各個參數對其性能的影響，綜合對比分析確定了天線最終的最優尺寸值，最終天線在2.2 GHz～8.4 GHz 的頻段內實現良好的反射特性，相對阻抗帶寬為117%，實現了超寬帶特性。最終加工了天線的實物模型并對其進行測試，得到其阻抗帶寬為113%(2.2 GHz～8.0 GHz)，最高增益達到6 dB，平均增益為4 dB。該天線基本能夠滿足超寬帶通信的要求，并且具有結構簡易、體積較小、易于集成等優勢，在移動通信等領域具有廣泛的應用前景。