C波段矩形微帶天線設計

盧 慧

（商丘職業技術學院，河南 商丘 476100）

0 引 言

微帶天線最初于20世紀50年代被提出，當時受介質材料和機械加工精度等限制，未能得到快速發展。隨著介質材料和光刻敷銅等相關技術的發展，70年代微帶線天線技術得到快速發展。微帶線天線相對于其他形式的天線具有制作成本低和結構簡單等優點，同時微帶天線可以直接加工在印制電路板上，方便和其他電路連接，同時也適合設計陣列天線[1]。現如今，隨著移動通信技術的發展和人們對電路設計小型化及低功耗等特點的追求，微帶線天線在移動通信設備中發揮著越來越重要的作用[2]。同時，在衛星通信領域，微帶線天線也有著廣泛的應用，特別是在低剖面和全向性等方面有著顯著優勢。

微帶天線小型化技術主要通過兩種方法來縮小天線的尺寸。一種是通過不同的拓撲結構來降低尺寸，主要通過在輻射單元上開槽，采用特殊形狀的輻射單元和不同的加載技術等[3-5]。另一種是通過改變介質材料來縮小天線尺寸。使用高介電系數的介質材料可以減少傳輸線和輻射單元的尺寸，也可以通過新型材料等來縮小天線尺寸[6]。

常用的微帶天線主要有振子天線、縫隙天線、行波天線以及貼片天線4種。這4種天線類型中，除了行波天線外，其他3種天線屬于諧振類天線，通常只能工作在諧振頻率附件。行波天線屬于非諧振型天線，需要通過負載匹配來保證行波的傳輸。微帶貼片天線主要在基板上實現其結構，基板一面通過敷銅板構成接地板，另一面通過刻蝕和不同形狀實現天線對外輻射能量。天線可以設計成不一樣的形狀，本文重點研究矩形貼片天線。

常見的微帶貼片天線結構主要由介質、參考地以及輻射單元組成。參考地與輻射單元位于介質的兩面。貼片天線的參數主要包括輻射單元的長度和寬度、介質層的介電系數、損耗正切角以及介質層的厚度等，上述的參數都會影響天線的輻射性能。

1 理論和設計

本文設計一款諧振頻率在5.2 GHz的矩形天線，使用Roger 5880介質板。根據天線的工作頻率和介質的介電系數，矩形天線的長寬分別為23.7 mm和18.4 mm[7]。為了降低輻射單元邊緣的輻射泄漏，接地板的尺寸設計為40 mm×40 mm。基本微帶矩形天線的結構如圖1所示。

圖1 矩形微帶天線

矩形微帶天線激勵端口的S參數如圖2所示，可以看出S參數的最小值位于5.3 GHz的位置，取值為-3.75 dB。雖然天線頻率和設計要求基本一致，但-3.75 dB的S參數難以滿足工程需要。為了提高天線的輻射效率，降低5.2 GHz附近S參數的值，本文在天線饋電端加入縫隙，通過優化縫隙參數提高天線輻射效率[8,9]。

圖2 矩形微帶天線激勵端口的S參數

在圖1的結構上，饋線和天線相連的位置開一個縫隙。縫隙寬度為1 mm，長度為2～6 mm。新的結構如圖3所示。后續在仿真計算過程中，將縫隙長度設置為變量，根據不同縫隙長度分別計算天線激勵端口的S參數[10]。

圖3 加縫隙矩形微帶天線

2 仿真及結果

根據圖3的尺寸和結構，通過HFSS軟件進行仿真計算。以縫隙長度為自變量，得到的激勵段S參數如圖4所示。由圖4可以看出隨著縫隙的長度變長，在5.3 GHz附近處激勵端口的反射能量變小。當縫隙長度為6 mm時，反射能量＜-17.5 dB，此時能量輻射效率最高。

圖4 縫隙長度與S參數的關系

將縫隙設置為寬度1 mm，長度6 mm時，天線總增益的三維圖如圖5所示。根據圖5可以看出，在天線輻射單元一邊增益分布均勻。在垂直天線輻射單元方向，天線增益最大，最大增益為8 dB。

圖5 矩形天線3D方向圖

通過圖5可以看出增益分布呈旋轉對稱狀態。為了清晰看某一切面的增益分布，選擇PHI值為0和90°兩個切面。圖6為兩個切面的增益分布圖，可以看出兩個切面的增益圖幾乎一致，即天線的三維分布呈旋轉對稱關系。在地平面上方，天線幾乎沒有方向性，近似全向天線[11]。

圖6 矩形天線2D方向圖

本文通過對原始的矩形微帶天線改進，在饋電端加入縫隙，使天線的反射能量大為減少，能夠滿足工程中對天線的使用要求。本天線近似全向天線，可以滿足小型設備和手持設備基本的使用要求。

3 結 論

通過前面的描述，本文所設計的天線可以實現全向能量傳輸，同時在設計頻率范圍內輸入端的反射能量＜-17.5 dB。相較于普通的矩形微帶天線，在饋電端引入縫隙可以調整天線的S參數，即調整了天線的輸入阻抗。此外，本文所描述的方法可以用在一般矩形天線設計上，效果較好。