宽频带高增益的E型微带天线的设计方案

引言

微带天线具有体积小、重量轻、易馈电、易与载体共形等优点，广泛直用于测量和通信各个领域。但是，微带天线的窄频带特性在很多方面限制了它的广泛应用，因此展宽微带天线的带宽具有十分重要的意义。

近年来，人们在展宽微带天线的带宽方面做了很多的研究：增大基板厚度，降低介电常数;采用电磁耦合多谐振来扩展带宽的方式，采用缝隙耦合馈电的方式，采用多层结构。本文在对上述各种展宽带宽技术的比较研究之后，通过在U型微带天线中间加一段传输线构成新型的E型微带天线，实现了天线阻抗频带的展宽。利用HFSS模拟仿真以及实测结果表明，这种天线在工作于4.25～5.366 GHz时，其相对带宽达到了23.2%，且采用了传统的同轴馈电，结构简单，易加工。

1 天线设计与分析

微带天线的结构如图1所示，贴片的长为L，宽为W，馈电点位置为(P_x，P_y)，U_l和U_w为U型天线尺寸，U型天线中间增加的微带线的长度和宽度分别为E_l和E_w，微带天线离地面的高度为H。当E_l为零时即为U型天线，E_l不为零时为E型天线。天线采用传统的同轴馈电方式。天线与地面之间采用空气为介质，减少采用高介电常数介质带来的损耗，同时呵达到增加频带宽度的目的。

从图2可知，随着E_l的增大，高频谐振频率点变小，在E_l=14.5 mm时候高频谐振点获得较好的匹配，当E_l继续增大时候匹配变差。由图4可得，随着E_w增大，低频谐振点匹配变差，而高频谐振点匹配变好。通过调节中间传输线的长度E_l和宽度E_w可获得两个匹配较好的谐振频率点。

如图4可得，随着P_y的值增大，天线匹配越好，但是天线工作频带变小。通过调节P_y值，可获得最佳的天线匹配和频带的展宽。

2 仿真与实测结果分析

经过多次仿真优化后得出E型微带天线的具体尺寸，表1为U型天线和E型天线的尺寸(单位：mm)。根据表中参量的值，采用HFSS对本文所设计的微带天线进行仿真，仿真结果如图5～图7所示。

图5是U型微带天线和E型微带天线的回波损耗曲线图。由图可得，U型天线S11小于-10 dB的频率从4.715～5.035 GHz，中心频率为4.875GHz，频带宽度BW=0.32 GHz，相对带宽为6.5%;E型天线S11小于-10 dB的频率从4.25～5.364 GHz，中心频率为4.807 GHz，频带宽度BW=1.114 GHz，相对带宽为23.2%，相对于U型天线带宽展宽3.5倍。因此，在U型天线中间加入传输线可以有效展宽带宽。

图6，图7是E型天线在两谐振点的E面和H面方向图。由图可得，微带天线的最大增益达到9 dB，较之传统的微带天线增益(5 dB)有较大的增加。

如图4可得，随着P_y的值增大，天线匹配越好，但是天线工作频带变小。通过调节P_y值，可获得最佳的天线匹配和频带的展宽。

图8为E型天线加工的实物图。图9为用AgikntE5071C网络分析仪测试E型天线的S11曲线，实测S11小于-10 dB的频带为4.09～5.06GHz。由于加工粗糙和馈电端口误差导致对天线频移和带宽的减小，但和仿真的结果相近。

3 结语

针对做带天线窄带的特性，本文提出了一种有效展宽微带天线频带的方法。通过在U型微带天线中间加一段传输线，适当调整同轴馈电点和传输线的长宽，实现了宽频带高增益的E型微带天线的设计。天线工作在4.25～5.366 GHz频带内，且增益达到了9 dB，相对带宽达到23%，可运用于IEEE 802.1 1 a(5 GHz)频段的无线局域网。本文给出了实测结果，并与仿真结果一致。