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】TN823-340 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 18.4 153 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。

图5 天线实物图Fig.5 Photograph of the fabricated antenna图6 仿真与测试的回波损耗Fig.6 Simulated and measured results of return loss图7 辐射方向图Fig.7 Radiation pattern从图7 可以看出，实际最大增益接近6.5 dB，比仿真值6.7 dB 略小。

这种误差可能来源于多个方面。

首先，实物加工本身存在一定误差，这种误差是不可避免的，本次加工的公差在±0.02 mm 范围内；其次，仿真所处的是一个非常理想的环境，而现实中的环境非常复杂，各种电磁干扰同时存在，导致结果不可能完全一样；再者，在仿真时并没有模拟同轴连接器（SMA），而且后来又是通过手动焊接来完成的，这就不可避免的引入了误差。

5 结语本文设计了一种超宽带F 形微带天线，工作带宽可覆盖整个X 波段（8～12 GHz），天线结构紧凑，尺寸仅为18.4 mm×15 mm×1 mm。

通过F 形贴片的设计、附加寄生贴片的方法以及采用三角形状的地板，实现了展宽带宽、降低回波损耗、减小天线尺寸以及降低设计复杂性的目的。

测试结果表明，在8～12 GHz 带宽内回波损耗小于-15 dB，相对带宽大于40%，以及6.5 dB 的最大增益。

实际与仿真基本吻合，验证了设计方案的正确性。

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