一种X波段超宽带F形微带天线设计

一种X波段超宽带F形微带天线设计

赵天宇; 陈明; 张博林

【期刊名称】《《现代电子技术》》

【年(卷),期】2019(042)017

【总页数】4页(P29-32)

【关键词】天线设计; F形微带天线; F形贴片; X波段; 寄生贴片; 电磁特性分析【作者】赵天宇; 陈明; 张博林

【作者单位】西安邮电大学通信与信息工程学院陕西西安 710121; 西安邮电大学电子工程学院陕西西安 710121

【正文语种】中文

【中图分类】TN823-34

0 引言

随着无线通信技术的快速发展，无线频谱资源的不足以及带宽需求的不断增长已经显得日益突出[1]。为了获得宽带天线，人们已经探索了各种技术[2]。众所周知，微带天线因其独特的优点，如重量轻、体积小、制造成本低而被广泛用于通信系统中，并且易于集成到各种仪器中[3]。然而，大多数微带天线的带宽很窄，大大限制了它们的实际应用。实际上，有许多方法可以增加微带天线的带宽，例如在贴片或地上开槽，改变介电常数[4]或介质板厚度[5]，以及采用介质谐振器[6]。其中，经常使用E 形[7]，L 形[8]或 U 形[9]槽结构来获得宽带宽。然而，这些天线中的

大多数具有结构复杂的缺点，这使得它们难以被集成。因此，结构简单、体积小的宽带微带天线的设计是非常重要的[10]。本文设计并制造了超宽带F 形微带天线。天线工作于8～12 GHz，覆盖了整个X 波段，X 波段当前被广泛应用于侦查、探

测等军事应用中[11]。首先介绍天线设计原理，其次研究影响天线带宽的主要参数。所设计的天线结构紧凑，性能良好。带宽内回波损耗小于-15 dB，最大增益6.5 dB，相对带宽达到了40%以上。此外，通过矢量网络分析仪以及微波暗室对其进行测试。所有测量结果都与仿真结果非常吻合，说明所提出的天线具有很高的实际应用潜力。

1 天线结构

图1 为所提出天线的几何结构。图1a）为天线的顶层，图1b）为天线的底层。该天线是在相对介电常数εr=3.5 的18.4 mm×15 mm×1 mm 的Taconic RF-35

介质板上制造的。天线的顶层和底层几乎相同，唯一的区别就是F 形的下部。顶

层由一个F 形贴片和两个长条形寄生贴片组成；底层由F 形贴片的一个臂、两个

长条形寄生贴片以及一个三角形的微带巴伦构成。图1 中用参量表示出各部分尺寸，以便于后期的优化。其中：介质板的长宽分别为a，b；贴片的所有宽度均为h；天线的长臂为l2；短臂为l1；长臂距寄生贴片为g；短臂距底端为c；寄生贴

片长为n；宽为ff；距离底端为e；微带巴伦宽为d；高为m。

图1 天线模型Fig.1 Schematic diagrams of antenna model

根据微带天线理论可知，在普通微带天线的振子附近添加寄生贴片，可以将原来的谐振修改为多谐振点的耦合谐振[12]。通过调节寄生贴片的大小以及与天线振子的距离，当多点谐振的频率相互靠近时就可以有效地展宽微带天线的带宽。寄生贴片既可以采用共面配置，也可以采用上下配置。本文设计采用的是正反两面分别配置，正面和反面的寄生贴片成对称关系。

馈电采用的是SMA 同轴连接器，由于同轴线内外导体是不对称结构，导致天线上

的电流分布也不对称，从而会影响天线的性能。为了打破这种不对称分布，需要在同轴线和天线之间插入一个不平衡到平衡的转换器，本文将接地板设计为一个三角形的巴伦，它可将不平衡的电流转换成平衡的电流，实现了阻抗转换，省去了复杂结构。

2 天线设计

由印刷偶极子天线的理论分析可知，天线臂的总长度约为1/2 个中心波长。所设

计的天线中心频率为10 GHz，在自由空间传播的波长为30 mm。若在全部填充Taconic RF-35 材质的介质板中传播，所对应的波长为计算得16 mm。所以天线臂的实际总长度应介于8～15 mm 之间。根据谐振天线的相关性质[13]，其等效

相对介电常数为：

电磁波在介质中的工作波长为：

激励阵子理论宽度为：

式中：c 是自由空间中的光速；εr 为介质板的相对介电常数；f 为天线的中心频率；

h 为介质板的厚度；w 为微带线宽度。

利用三维电磁仿真软件Ansoft HFSS 15.0（High Frequency Structure Simulator）经过参数扫描及优化，最终得到符合设计要求的参数，如表1 所示。表1 天线各项参量Table 1 Parameters of proposed antenna mm值参数e ff

参数值参数7.3 0.49 7.95 4.52 l1 g h l2 1.47 0.93 1.69 6.14 d m a b值 9 n c 6.9 18.4 15

3 仿真结果及分析

根据上述的分析可知，天线臂的长度对谐振频率影响较大。为了证明尺寸的影响，

通过HFSS 仿真得到参数l1 从1.07 mm 增加到1.87 mm 的谐振频率，结果如图2所示。结果表明参数l1 明显影响谐振频率。当l1 增加时，谐振频率由高频转向低频。

图2 l1 与谐振频率的关系Fig.2 Resonant frequency versus l1

图3 显示了参数l2 的长度对谐振频率的影响。很明显，当参数 l2 由 5.84 mm 增加到 6.34 mm 时，谐振频率向高频方向移动。

图3 l2 与谐振频率的关系Fig.3 Resonant frequency versus l2

图4 显示了有无寄生贴片对天线带宽的影响。通过仿真可以看出，寄生贴片对于

带宽的影响非常明显。通过附加寄生贴片，可以使-15 dB 以下的有效带宽完全覆

盖8～12 GHz，相对带宽达到40%以上。

图4 有无寄生贴片对天线带宽的影响Fig.4 Bandwidth of antenna with and without parasitic patch

通过以上仿真可以得出，天线的带宽和谐振频率可以通过选择合适的结构参数来控制。

4 测试结果及分析

将仿真好的天线模型导入Auto CAD 2016 中标注尺寸，然后进行实物加工。实物采用Taconic RF-35 型号的PCB 板，相对介电常数为3.5，天线的尺寸为18.4 mm×15 mm×1 mm，与五角硬币的大小相当。加工完毕的天线如图5 所示，图

5a）为天线的顶层，图5b）为天线的底层。

利用微波暗室以及矢量网络分析仪对其进行测试。回波损耗测试结果如图6 所示。实现了在8～12 GHz 带宽内反射系数小于-15 dB，相对带宽大于40%。

在中心频率10 GHz 处的辐射方向图及增益测试结果如图7 所示。图7a）为xOy 面上的辐射方向图，图7b）为yOz 面上的辐射方向图。显然，测量结果与模拟结果基本吻合。