一种新型的小型化微带贴片天线设计研究

陈 雪 阎元红 张文梅

（1.太原师范学院物理系,山西太原 030012;2.山西大学物理电子工程学院,山西太原 030006）

一种新型的小型化微带贴片天线设计研究

陈 雪1阎元红1张文梅2

（1.太原师范学院物理系,山西太原 030012;2.山西大学物理电子工程学院,山西太原 030006）

文章提出了一种新型的小型化微带贴片天线设计.天线同时采用贴片螺旋曲流、加载短路探针和接地板蚀刻缝隙三种小型化方法,使得其尺寸大大减小.研究表明,天线在回波损耗S11＜-10 dB时的工作带宽可达到2.883～2.889 GHz,是一种具有很好理论参考意义与实用价值的微带天线.

小型化微带天线;短路探针;蚀刻缝隙

0 引言

随着个人通信系统的发展,天线的小型化技术[1～4]已经成为一个重要的研究课题.而微带天线作为一种使用微带贴片作为辐射元的天线,与普通天线相比,具有剖面低、体积小、重量轻、能与载体共形等优点.文献[5～9]提出的几种微带天线,虽然获得较宽的工作带宽,但体积相对较大,结构也比较复杂.

考虑到个人无线通信系统对天线的尺寸小、结构紧凑等具体要求,必须同时采用几种小型化技术才能保证天线的特性.

1 新型小型化微带天线结构设计

该天线结合了贴片曲流、加载短路探针和接地板曲流三种小型化方法,结构如图1所示.在接地板上刻蚀的矩形缝隙大小为7.83 mm×3.4 mm,贴片尺寸为7.5 mm×3.7 mm（0.102λg×0.05λg）.接地板上开缝,使贴片上电流路径增长,从而达到尺寸减小的目的.天线采用微带线馈电,微带线宽w1.在馈电端附近有两个直径为0.4 mm的短路探针,采用短路探针可以使谐振频率降低.从图1中可以看到贴片两边结构对称,凹槽为螺旋状结构,这种贴片曲流方法同样可以实现天线的小型化.

图1 地板开缝的微带贴片天线结构Fig.1 Structure of the ground etching microstrip antenna

2 天线性能仿真及测试结果

由于短路探针对天线特性影响非常敏感,所以调节短路探针的位置可以适当调节谐振频率.该天线加了两个短路探针,和馈电端口之间形成强耦合,等效于加载了一个电容,进行阻抗补偿,使得天线在低于原来谐振频率的位置达到阻抗匹配.另外,螺旋状的凹槽破坏了原来共振模式的电流路径,使天线的共振波长相对变大,而左右对称的结构,可以抑制多次谐振模式的产生,从而提高天线的辐射特性.通过地板开缝的结构,在减小天线尺寸的同时,又适当展宽了带宽.三种方法结合实现天线尺寸小型化.图2给出了经过电磁仿真软件Ensemble SV仿真后的该天线的回波损耗特性曲线,输入反射系数S11＜-10 dB的阻抗带宽为2.883～2.889 GHz,频带宽度为6 M Hz.

图2 天线回波损耗特性仿真曲线Fig.2 Simulated return loss of the p roposed antenna

经过优化仿真,天线的部分尺寸定为:a=7.5 mm,b=2.9 mm,a1=7.83 mm,b1=3.4 mm,w1=1.09 mm,w2=2.8 mm.并且为了和工程应用统一,方便集成,采用相对介电常数为4.4,厚度为1.6 mm的RF4-epoxy介质基板.所实现的天线如图3所示.

图3 地板开缝的贴片天线Fig.3 Photo of the ground etching microstrip antenna

图4 天线回波损耗的测试、仿真结果比较图Fig.4 Measured and simulated return loss of the p roposed antenna

天线回波损耗的测试、仿真结果比较如图4所示,从图4中可以看出实测的天线带宽比仿真结果宽,但谐振模式不明显,而且由于天线尺寸较小且短路探针较为敏感,使得加工出的天线出现阻抗失配,中心频率偏离了2.88 GHz.所以还需要进一步微调馈电点位置及短路探针的位置.图5给出天线在频率2.4 GHz时的测试与仿真辐射方向图,由于在仿真时,天线的工作频率只达到2.88 GHz,这就导致该天线在2.4 GHz频率附近的增益较低.

图5 天线在频率2.4 GHz时的测试与仿真辐射方向图Fig.5 Measured and simulated radiation patterns at 2.4 GHz

3 结论

本文主要提出了一种新型的小型化微带贴片天线设计,该天线同时采用贴片螺旋曲流、加载短路探针和接地板曲流三种小型化方法,使得天线尺寸大大减小.研究表明,该天线在频率2.88 GHz处实现了6 M Hz的工作带宽.由于该天线尺寸小,结构简单,便于集成,所以具有较高的理论研究与实用价值.

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Design and Study of a Novel Compact M icrostrip Antenna

Chen Xue1Yan Yuanhong1Zhang Wenmei2
（1.Department of Physics,Taiyuan No rmal University,Taiyuan 030012;2.College of Physics and Electronics Engineering,Shanxi University,Taiyuan 030006,China）

A novel compact microstrip antenna is p roposed in this paper.Patch etching,p robe loading and ground etching techniques are used simultaneously,which reduces the dimension of this antenna greatly.The result show s that the bandw idth of the antenna reaches up to 2.883～2.889 GHz with return lossS11＜ -10 dB.This kind of microstrip antenna can be determ ined as a useful candidate for app lication.

compact m icrostrip antenna;sho rt p robe;etching slot

【责任编辑:王映苗】

1672-2027（2010）02-0077-03

TN 821

A

2010-03-31

陈 雪（1981-）,女,山东德州人,硕士,太原师范学院物理系助教,主要从事通信与信息系统研究.