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摘要：能够同时适用于射频识别、全球微波无线互联网和无线局域网这几大主流物联网通信技术标准的宽频天线的设计要求越来越高，比如体积小、成本低等，而微带天线体积小、剖面低且可集成化程度高，适合大批量生产，但其频带较窄，使用范围受到限制。为此，提出了一种紧凑型宽频带微带贴片天线。该天线引入了L型缝隙和三角形缝隙，仿真结果表明，天线－10dB阻抗带宽可达到100%，其工作频带为1．5GHz～4．3GHz;轴比带宽为3．4GHz～3．8GHz，圆极化带宽为11%;在该范围内的增益都在3dB以上;整个工作频带范围内都实现了宽频带、高增益等特性，适用于射频识别、蓝牙、WLAN等频段。
关键词：宽频带;微带贴片天线;增益;圆极化
引言
近年来，随着无线电技术的迅猛发展，对天线的要求越来越高，既需要天线高增益、宽频带，还要求具备剖面低、重量轻、易制作等特点。当前无芯片射频标签正逐渐兴起。频率编码容量大的无芯片标签工作的频率范围很宽，对标签阅读器的天线提出了更宽频带的要求。微带天线因为其固有的窄带宽的特点，导致其应用大大地受到限制。为了拓展微带天线的带宽，1984年，Pozar首次提出了缝隙耦合馈电微带天线，该天线隔离了馈电网络与辐射贴片，降低了馈电网络杂散波对辐射贴片的影响，克服了传统馈电方式带来的电感效应。用缝隙耦合馈电的方式来拓展带宽，工程师们做了大量的卓有成效的工作。
1结构分析
1.1天线结构设计
按照结构特征分类可以把微带天线分为微带贴片天线和微带缝隙天线。从以往的研究来看，不同的贴片形状也会影响天线的阻抗带宽。常用的贴片形状为矩形、正方形、圆形、三角形或者其他，通常会在这些图形的基础上做一些更加复杂的变化，以此改变天线的工作带宽、波束宽度、增益、轴比特性、圆极化等，来满足实际应用的需求。本次设计的宽频带天线最终整体结构如图1所示。该天线对贴片的缝隙大小以及位置进行设计修改，整体包含三个部分，分别为顶层辐射金属贴片层、中间介质基板、底层接地板金属贴片层。天线所用介质基板的材料为FＲ4环氧树脂，其相对介电常数为4．4，介电损耗为0．02。其中，介质基板的长为50mm，宽为45mm，厚度为1mm;顶层矩形贴片的尺寸为25．8mm×27mm，与贴片相连的馈线长度为16mm;为了展宽天线的工作带宽，在馈线与辐射贴片的连接处增加了一个尺寸为2．1mm×5mm的小矩形贴片;接地板的尺寸为16mm×45mm。图2中列出了该天线结构中顶层矩形贴片的设计过程，图中描述了天线引入缝隙的位置、大小以及形状的变化。
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1.2天线单元的设计
在HFSS软件中建立微带天线的模型如图1所示。天线由两层介质板、微带贴片、微带馈线及开在接地板上的耦合缝隙组成。天线的辐射贴片和馈线分别位于其上蚀刻有H形耦合缝隙的接地板两侧，这种结构有3大优点：一方面，接地板可以屏蔽来自馈线的寄生辐射，避免其对天线上半部分的辐射方向图产生干扰；其次，增大了馈电网络的布线空间；最后，我们可以分别对辐射贴片和馈电网络进行优化。这种结构特点对于高性能的微带天线阵列的设计尤为有利，特别是大型低副瓣微带天线阵。微带缝隙天线的基本模型，是在微带线的金属地平面上蚀刻单个缝隙或缝隙阵列作为辐射单元，缝隙与微带馈线垂直相交。电磁波通过微带馈线传播到缝隙处耦合激励该缝隙向外辐射能量。为了提供清楚直观的物理模型，下面介绍微带缝隙天线的等效网络模型。缝隙辐射的功率可以表示为一个位于缝隙中心处的等效辐射电阻的形式，以下讨论取馈线和缝隙相互垂直的情况。需要注意的是该模型并不能直接用于缝隙天线的设计，只可以作为缝隙天线辐射原理的一种理解。
2仿真结果分析
用高频仿真软件HFSS13对图1所示的天线结构在1GHz～10GHz频段的性能进行了详细优化设计和仿真，测试了贴片尺寸、缝隙大小和位置对天线阻抗等各性能的影响。天线的阻抗带宽可以用在频率内的回波损耗(S11)和电压驻波比(VSVＲ)表示，匹配好的阻抗带宽必须以某个水平完全覆盖的工作频率范围表示，S11在该范围内的值要小于－10dB。天线仿真的S11参数曲线对比如图3所示。天线1中只引入了4个对称的L型缝隙，其带宽比较窄，S11＜－10dB的带宽范围仅覆盖了1．4GHz～2．2GHz;在此基础上，天线2贴片的边缘和中间部分新增了两组对称三角形缝隙，改变了表面电流的分布，从图中可以看出带宽的宽度稍微有所改善，但是还是没有达到实际应用的要求;最终的结构天线3调整了三角形缝隙的位置并增加了两个箭头型缝隙，使其谐振频率向高频移动，同时改善了阻抗特性，大大展宽了天线的工作带宽。天线3的S11参数小于－10dB的频带范围为1．5GHz～4．3GHz，相对工作带宽接近100%。经过改善后的天线增益性能也得到很大的改善，仿真得到的增益参数曲线对比如图4所示。从图中可得知，随着缝隙的增加和位置的调整，增益也越来越高。天线1在只增加简单矩形缝隙的情况下所得到的增益在低频段能达到2dB左右，但是在3．5GHz～5GHz处的增益不符合要求;相比之下，天线2的增益在该范围内有所提高，但是低频段的增益还需要继续改进;最终结构的天线3在其工作带宽范围内(1．5GHz～4．3GHz)的增益都处于3．3dB以上，在2．4GHz处的增益为5．2dB，在频带范围内最高增益可达10dB。经过不断调整优化天线结构后，总体的增益性能已经可以满足实际应用的要求。
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结语
本文设计了一种基于多缝隙耦合的微带贴片天线，解决微带贴片天线的工作带宽较窄的问题。通过调整顶层贴片中引入缝隙的位置及大小改善了天线的轴比特性，展宽了工作频带范围，缩小了贴片面积。仿真结果表明，该天线在整个工作范围(1．5GHz～4．3GHz)内具有较高的增益，天线的阻抗带宽能达到100%，在3．4GHz～3．8GHz频带范围内的轴比小于3dB，符合工作在蓝牙和WLAN的工作频段范围内的要求，适用于工作在S波段内的现代无线通信系统中。由仿真实验结果可以得知，在顶层辐射贴片引入缝隙对于微带贴片天线的带宽扩展、增益提高是有作用的，但是本文天线的圆极化带宽范围没有覆盖其工作频带，仍有改善的空间。
参考文献
[1]王德乐，黄季甫．一种新型宽带低副瓣微带贴片阵列天线的设计［J］．无线通信技术，2018，27(1):39-42．
[2]韩微，岳玫君，冯晓星，等．针馈圆极化微带贴片天线设计［J］．电子信息对抗技术，2018，33(5):76-79．
论文作者:沈永春,朱鹏
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第08期
论文发表时间:2019/9/25
标签：天线论文; 微带论文; 缝隙论文; 贴片论文; 增益论文; 带宽论文; 频带论文; 《科学与技术》2019年第08期论文;