一种小型宽带全向天线

邢海龙

（山东科技大学 山东 青岛 266000）

1 引言

全向天线的辐射表现为无方向性，在水平方向图中显示为360°均匀辐射，一般应用与多对点通信或者大范围覆盖中。早期的全向天线虽然满足无方向性辐射的要求，但是带宽很窄，在宽频带的应用受到了极大的限制[1]，而宽带天线有具有很多窄带天线所不具有的优点，比如高的传输速率、高的频带利用率、更大的系统容量和更好的隐蔽性等。所以如何拓宽全向天线的带宽逐渐成为重要的研究方向。

如今常见的拓宽微带贴片天线带宽的方法有：用介电常数较小或者损耗角正切值较大的基板；加厚空气介质或介质基板；改变介质基板的形状；使用电阻加载等[2]。而常用的天线小型化的技术主要有：短路加载技术；适当增加介质基板的介电常数；附加有源网络；改变辐射贴片的形状，采用特殊形式等。但是在实际应用当中，很多天线在改进后结构十分复杂，技术实现难度很大，而且会新增很多问题，比如加载电阻以后会增大天线的损耗，减少抗震能力[3]；加厚介质基板会增大天线体积，不利于小型化天线的应用。

笔者提出一种小型化的、结构简单的宽带全向天线，通过改变接地面和贴片的结构来得到具有良好阻抗匹配和驻波比带宽的全向天线。

2 天线结构

本文提出的宽带全向天线的几何结构如图1所示。该设计包括辐射体、接地面、介质基板和微带传输线。该天线采用ANSYS HFSS软件设计而成，制作在FR-4基板上，基板的介电常数εr=4.4，损耗角正切δ=0.02，厚度为1.6mm。天线的整体尺寸为45×45×1.63mm，辐射贴片和接地平面分别位于顶部和底部。辐射贴片和接地面均是由铜材料制成，其厚度均为0.035mm，电导率δ=5.8×107S/m，为了实现50Ω输入阻抗匹配，我们对微带传输线的位置和宽度w已经进行了优化。辐射贴片采用阶梯三角形结构，对天线的带宽和回波损耗（RL）性能的影响很大。在这个天线设计中最重要的部分是引入去角接地方案，在辐射贴片或地面上的槽切割技术被用来在高频率下扩展频率以增加带宽。总的来说，提出的阶梯状辐射结构和去角接地结构有助于提高天线的阻抗匹配性能和展宽天线的带宽。

图1 天线结构

3 天线优化

在本节中，我们使用HFSS软件对提出天线进行了优化和仿真，通过改变天线各个参数来达到本文需要的阻抗匹配、S参数、增益和辐射模式。

3.1 阻抗匹配

通过对天线馈线位置和馈线宽度w的多次仿真优化，最后基本实现50Ω输入阻抗匹配。我们通过改变馈线宽度w的值来寻找谐振频率和中心频率基本相同时的最优w值，我们发现，随着馈线宽带w的逐渐减小，天线的谐振频率不断增大，在w=0.7mm时，天线的谐振频率达到中心频率5.27GHz，此时的阻抗值如图2所示。

图2 阻抗值

可以看到通过优化后的天线具有较好的阻抗匹配性能，在测试中心频率5.27GHz时的输入阻抗达到(50.41+j0.02)Ω，天线基本达到了完全匹配。

3.2 S参数

通过改变T、L、R1、R2的值，并经过多次的仿真和优化，得到的最优值如表1所示。优化后的天线经过仿真得到的S参数如图3所示。

表1 天线参数

图3 S参数

由图可以看出，所提出天线的测量阻抗带宽在反射系数小于-10dB的范围内，从4.75GHz到5.8GHz，带宽达到1.05GHz，在中心频率为5.27GHz时，其相对带宽达到20%。

4 仿真结果分析

通过上一节的优化设计后，天线的最优模型基本确定，天线达到了良好的阻抗匹配和宽带性能，在中心频率5.27GHz处的VSWR值接近于1，在中心频率处的相对带宽也达到了宽带要求。通过仿真我们可以得到天线的辐射方向图和三维辐射方向图，分别如图4和图5所示。

图4 辐射方向图

图5 三维辐射方向图

由辐射方向图可以看出，天线满足全向辐射要求，其最大增益为1.56dB，由三维辐射方向图可以得到其辐射效率达到96%。

5 结语

本文提出了一种小型宽带全向天线。通过改进的接地平面和辐射贴片获得了良好的阻抗匹配性能，且在反射系数小于-10dB范围内，天线的带宽范围从4.75GHz到5.8GHz达到了1.05GHz，相对带宽达到20%。天线满足全向辐射要求，最大增益为1.56dB，辐射效率达到96%。本文设计的天线满足宽带全向的性能要求，对现代通信中宽带全向天线的设计有一定的意义。

[1] Herscovici N，Sipus Z，Kildal P S，The Cylinderiacal Omnidirectional Patch Anrenna [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2001，49(12):1746-1753.

[2] Wu C K，Wong K L.Broadband Microstirp Antenna with Directly Coupled and Gap-coupled Parasitic Patches[J].Microwave and Optical Technology Letters，1999，22(5):348-349.

[3]张运启，王亮，等.一种新型宽频带全向天线的设计[S].《西安电子科技大学学报(自然科学版)》，2014，41(4)：47-50.