一种小型化的2_4GHz宽频带微带天线的设计与仿真_韩雪
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［6］ 郝宏刚，胡文帅，卢化晓． 基于非对称 U 型槽的 GPS 微 带天线设计［J］． 重庆邮电大学学报 （ 自然科学版） ， 2013，25（ 4） ： 480 － 483．
［7］ 倪国旗，张涛，倪围，李树彬． 一种微带准八木天线的 改进设计［J］． 微波学报，2013，29（ 1） ： 51 － 54．
HAN Xue （ The Third Ｒesearch Institute of Ministry of Public Security，Beijing 100000，China）
Abstract： There is a designation of 2． 4GHz，broadband microstrip antenna． Cut rectangle truncated corners on the E － sharped patch and have slots on the ground plate to reach to broadband． The simulated experiment proved that the relative bandwidth was 66． 3% （ VSWＲ≤2） ； when the centric frequency was 2． 4GHz； and make it compact，the area is reach to 60． 1% of the original antenna． Key words： microstrip antenna； broadband； compact； E － sharped patch； rectangle truncated corners
L' = L － 2ΔL
（ 5）
ΔL h
= 0． 412 × （ εg + 0． 3） （ W / h + 0． 264） （ εg － 0． 258） （ W / h + 0． 8）
（ 6）
式中 L、W 如图 1 所示，参数 λg 为介质内波长，λ0 为
自由空间波长，εg 为有效介电常数，c 是光速，f 为天
《无线通信技术》2014 年第 1 期
— 61 —
为 66． 3% ，最大衰减达到 － 48． 8dB； 与 E 形贴片天 线相比较，低频部分几乎没有变化，但高频部分的频 带提高了 120MHz，而且匹配变得更好。
天线的方向图如图 4，实线为 E 面方向图，虚线 为 H 面方向图。从图中可以看出，天线的增益约为 8． 2dB。
*
一种小型化的 2． 4GHz 宽频带微带天线的设计与仿真
韩雪 ( 公安部第三研究所，北京 100000)
摘要： 设计了一种 2． 4GHz 宽频带微带天线。采用在 E 形贴片上切矩形角和在接地板开 窗的方法以实现展宽频带。仿真结果表明，在中心工作频率 2． 4GHz 处，相对带宽到达 66． 3% ( VSWＲ≤2) ; 并实现了小型化，面积为原始天线的 60． 1% 。
1引言
微带天线体积小、重量轻、剖面低、制作简单等 优点［1］，深受人们的关注，近年来应用也越加广泛。 但是微带天线也有阻抗频带窄、增益低等固有缺点， 使得微带天线在工程实际中受到了限制。
近些年来，许多专家学者都致力于微带天线宽 频带技术的研究，取得了很多成果，如采用 h 形缝隙 的宽带微带 天 线［2］，反 向 L 形 槽 的 双 向 天 线［3］，H 形缝隙耦合的毫米波方形切角圆极化微带天线［4］， 三馈圆极化微带天线［5］，非 对 称 U 形 槽 的 微 带 天 线［6］，改进的准八木天线［7］等。
（ 2）
* 作者简介： 韩雪（ 1984 － ） ，女，硕士，研究实习员，主要从事电磁场与微波技术方向的研究。
— 60 —
《无线通信技术》2014 年第 1 期
( ) εg
=
εr + 1 2
+ εr － 1 2
1
+
10h W
－1 /2
（ 3）
( ) W = c εr + 1 －1/2 2f 2
（ 4）
［1］ 杨明忠，张钧． 微带天线理论与工程［M］． 北京： 国防 工业出版社，1988．
［2］ 杨虹，陈川江． 一种 h 形缝隙多频微带天线设计［J］． 压电与声光，2012，34（ 6） ： 928 － 931．
［3］ 李伟文，陈杰良，游佰强，黄天赠． 宽带双向微带天线 设计［J］． 微波学报，2013，29（ 2） ： 49 － 52．
关键词： 微带天线; 宽频带; 小型化; E 形贴片; 矩形切角 中图分类号： TN822 + ． 4 文献标识码： A 文章编号： 1003-8329（ 2014） 01-0060-03
Design ＆ Simulation of a 2． 4GHz Broadband Compact Microstrip Antenna
2 天线结构设计及仿真结果分析
2． 1 基本矩形贴片微带天线的设计
本文设计的天线以基本的矩形贴片天线为基础
加以改进。根据参考文献［1］中矩形贴片微带天线
的设计方法，首先天线的谐振频率为 2． 4GHz，由下
面的相关公式，确定贴片和底板的基本尺寸从而得
到基本的天线模型。
L = λg /2
（ 1）
λg = λ0 / 槡εg
图 3 回波损耗曲线
在仿真软件中将如上的天线模型进行仿真，得 到如图 3 所示的回波损耗曲线。图 3 中粗实线为 图 1 原始天线回波损耗 曲 线。从 S11 曲 线 可 以 看 出，当 S11 ≤ － 10dB（ VSWＲ ≤2） 时，天线的工作频 段为 2． 35 ～ 2． 46GHz，其中 2． 4GHz 是天线的谐振 频率，相对带宽为 4． 6% ，最大衰减为 － 26． 4dB。虚 线为未采用矩形切角时 E 形贴片天线的回波损耗 曲线。从 S11 曲线可以看出，当 S11 ≤ － 10dB （ VSWＲ ≤2） 时，天线的工作频段为 1． 03 ～ 2． 5GHz，其中 2． 43GHz 是天线的谐振频率，相对带宽为 60． 5% ，最 大衰减为 － 26． 4dB，可以看到天线的阻抗带宽有了 明显的增加。细实线为图 2 加入矩形切角时天线的 回波损耗曲线。从 S11 曲线可以看 出，当 S11 ≤ － 10dB（ VSWＲ ≤2） 时，天线的工作频段为 1． 03 ～ 2． 62GHz，其中 2． 4GHz 是天线的谐振频率，相对带宽
图 2 矩形切角 E 形天线
图 1 基本天线模型
2． 3 模型改进及仿真分析
以图 1 的基本天线为基础进行改进，如图 2 所 示，新型天线采用高介电常数 εr = 4． 55 介质基板， 在接地板上开窗以及将矩形贴片改为 E 形贴片上 并切矩形角。改进后的天线从上至下依次为贴片、 介质基板、接地板及开窗、50 Ω 同轴线馈线。其中 贴片总体尺寸为 L2 × W2 = 24． 5mm × 26mm，缝大小 为 w × l = 2mm × 12mm，贴片铜箔厚度为 0． 018mm； 矩形切角大小 a × b = 7． 5 mm × 6mm，介质基板增加
［4］ 胡志慧，姜永华，凌祥． 新型毫米波宽带圆极化微带天 线阵列设计［J］． 微波学报，2013，29（ 1） ： 70 － 73，77．
［5］ 钱祖平，刘宗全，冯卫华，倪为民． 一种新型宽带宽波 束圆极化微带天线的设计［J］． 电波科学学报，2011， 26（ 6） ： 1170 － 1174．
（ 收稿日期： 2013-11-18）
— 62 —
《无线通信技术》2014 年第 1 期
为基础，通过在接地板开窗和在贴片上切矩形角的 方法再次仿真结果表明，在中心工作频率 2． 4GHz 处，相对带宽到达 66． 3% （ VSWＲ ≤2） ； 并实现了小 型化，面积为原始天线的 60． 1% 。
参考文献
Байду номын сангаас
图 4 天线方向图
3结语
阻抗带宽窄一直限制微带天线的发展。如何展 宽微带天线的频带也一直是专家学者们关注的话 题。采用 E 形贴片是常用的方法，本文以 E 形贴片
（ 收稿日期： 2013-11-25）
檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵
( 上接第 59 页)
6 结束语
本系统实现了基于 GSM 的民用家电短信自动 控制。通过 AＲM 单片机对房屋信息的成功读取， 可以在显示屏上监控到房屋的环境变化信息。系统 通过温度、气 敏、湿 敏 传 感 器 对 房 屋 内 自 动 安 全 监 控，对房屋的异常情况立即通过短信方式通知指定 的手机。实现了成本低廉、实用性强的 GSM 远程管 理控制系统。
线的谐振频率，ΔL 为边缘场影响而产生的偏移量。
了厚度，为 1． 5mm，尺寸大小为 LG2 × WG2 = 40 mm × 40mm； 接地板开窗为 26mm × 7mm； 馈电点距贴片 下侧边缘为 d2 = 7． 5mm。
2． 2 仿真优化
在仿真软件中按公式计算出的尺寸进行仿真并 优化，得到普通天线设计如图 1 所示，从上到下依 次为贴片、介质基板、接地板和同轴馈线。其中贴片 铜箔厚度为 0． 018mm； 贴片大小为 L1 × W1 = 36mm × 41mm； 介质基板厚度 1mm，介电常数 εr = 2． 65， 大小为 L1 × WG1 = 48mm × 55mm； 接地板铜箔厚度 与贴片一致，同为 0． 018mm； 馈电方式采用 50 Ω 同 轴线馈电，馈电点距贴片下侧边缘为 d1 = 6． 3mm。
参考文献
［1］ 裴蓓，赵丽． 基于 GSM 的家庭远程智能监控系统设计
［J］． 制造业自动化，2013． 5． 26 － 28． ［2］ 朱新志． 基于 GSM 短消息和 PLC 的轴快流 CO2 激光
器远程监控系统［D］． 华中科技大学硕士学位论文． 2012． 1． 5． 1 － 56． ［3］ 徐魁，蒋瑀瀛． 基于 GSM / GPＲS 通信的抄表系统［J］． 电力系统自动化，Vol． 28 － No． 17，94 － 96． ［4］ 郑钢，何香玲，曲天培． 基于 GSM 的车辆定位监控系 统及短消息通信方法［J］． 计算机测量与控制，2003 ． 11 （ 11） ． 887 － 892． ［5］ 周 彬． 基 于 GSM 短 消 息 的 路 灯 远 程 监 控 系 统 设 计 ［D］． 合肥工业大学硕士学位论文． 2006． 5． 1 － 79． ［6］ 牛媛媛． 基于 GSM 网络的 LED 显示系统的研究与实 现［D］． 南京理工大学 硕 士 学 位 论 文． 2012． 11． 1 － 72．
［7］ 倪国旗，张涛，倪围，李树彬． 一种微带准八木天线的 改进设计［J］． 微波学报，2013，29（ 1） ： 51 － 54．
HAN Xue （ The Third Ｒesearch Institute of Ministry of Public Security，Beijing 100000，China）
Abstract： There is a designation of 2． 4GHz，broadband microstrip antenna． Cut rectangle truncated corners on the E － sharped patch and have slots on the ground plate to reach to broadband． The simulated experiment proved that the relative bandwidth was 66． 3% （ VSWＲ≤2） ； when the centric frequency was 2． 4GHz； and make it compact，the area is reach to 60． 1% of the original antenna． Key words： microstrip antenna； broadband； compact； E － sharped patch； rectangle truncated corners
L' = L － 2ΔL
（ 5）
ΔL h
= 0． 412 × （ εg + 0． 3） （ W / h + 0． 264） （ εg － 0． 258） （ W / h + 0． 8）
（ 6）
式中 L、W 如图 1 所示，参数 λg 为介质内波长，λ0 为
自由空间波长，εg 为有效介电常数，c 是光速，f 为天
《无线通信技术》2014 年第 1 期
— 61 —
为 66． 3% ，最大衰减达到 － 48． 8dB； 与 E 形贴片天 线相比较，低频部分几乎没有变化，但高频部分的频 带提高了 120MHz，而且匹配变得更好。
天线的方向图如图 4，实线为 E 面方向图，虚线 为 H 面方向图。从图中可以看出，天线的增益约为 8． 2dB。
*
一种小型化的 2． 4GHz 宽频带微带天线的设计与仿真
韩雪 ( 公安部第三研究所，北京 100000)
摘要： 设计了一种 2． 4GHz 宽频带微带天线。采用在 E 形贴片上切矩形角和在接地板开 窗的方法以实现展宽频带。仿真结果表明，在中心工作频率 2． 4GHz 处，相对带宽到达 66． 3% ( VSWＲ≤2) ; 并实现了小型化，面积为原始天线的 60． 1% 。
1引言
微带天线体积小、重量轻、剖面低、制作简单等 优点［1］，深受人们的关注，近年来应用也越加广泛。 但是微带天线也有阻抗频带窄、增益低等固有缺点， 使得微带天线在工程实际中受到了限制。
近些年来，许多专家学者都致力于微带天线宽 频带技术的研究，取得了很多成果，如采用 h 形缝隙 的宽带微带 天 线［2］，反 向 L 形 槽 的 双 向 天 线［3］，H 形缝隙耦合的毫米波方形切角圆极化微带天线［4］， 三馈圆极化微带天线［5］，非 对 称 U 形 槽 的 微 带 天 线［6］，改进的准八木天线［7］等。
（ 2）
* 作者简介： 韩雪（ 1984 － ） ，女，硕士，研究实习员，主要从事电磁场与微波技术方向的研究。
— 60 —
《无线通信技术》2014 年第 1 期
( ) εg
=
εr + 1 2
+ εr － 1 2
1
+
10h W
－1 /2
（ 3）
( ) W = c εr + 1 －1/2 2f 2
（ 4）
［1］ 杨明忠，张钧． 微带天线理论与工程［M］． 北京： 国防 工业出版社，1988．
［2］ 杨虹，陈川江． 一种 h 形缝隙多频微带天线设计［J］． 压电与声光，2012，34（ 6） ： 928 － 931．
［3］ 李伟文，陈杰良，游佰强，黄天赠． 宽带双向微带天线 设计［J］． 微波学报，2013，29（ 2） ： 49 － 52．
关键词： 微带天线; 宽频带; 小型化; E 形贴片; 矩形切角 中图分类号： TN822 + ． 4 文献标识码： A 文章编号： 1003-8329（ 2014） 01-0060-03
Design ＆ Simulation of a 2． 4GHz Broadband Compact Microstrip Antenna
2 天线结构设计及仿真结果分析
2． 1 基本矩形贴片微带天线的设计
本文设计的天线以基本的矩形贴片天线为基础
加以改进。根据参考文献［1］中矩形贴片微带天线
的设计方法，首先天线的谐振频率为 2． 4GHz，由下
面的相关公式，确定贴片和底板的基本尺寸从而得
到基本的天线模型。
L = λg /2
（ 1）
λg = λ0 / 槡εg
图 3 回波损耗曲线
在仿真软件中将如上的天线模型进行仿真，得 到如图 3 所示的回波损耗曲线。图 3 中粗实线为 图 1 原始天线回波损耗 曲 线。从 S11 曲 线 可 以 看 出，当 S11 ≤ － 10dB（ VSWＲ ≤2） 时，天线的工作频 段为 2． 35 ～ 2． 46GHz，其中 2． 4GHz 是天线的谐振 频率，相对带宽为 4． 6% ，最大衰减为 － 26． 4dB。虚 线为未采用矩形切角时 E 形贴片天线的回波损耗 曲线。从 S11 曲线可以看出，当 S11 ≤ － 10dB （ VSWＲ ≤2） 时，天线的工作频段为 1． 03 ～ 2． 5GHz，其中 2． 43GHz 是天线的谐振频率，相对带宽为 60． 5% ，最 大衰减为 － 26． 4dB，可以看到天线的阻抗带宽有了 明显的增加。细实线为图 2 加入矩形切角时天线的 回波损耗曲线。从 S11 曲线可以看 出，当 S11 ≤ － 10dB（ VSWＲ ≤2） 时，天线的工作频段为 1． 03 ～ 2． 62GHz，其中 2． 4GHz 是天线的谐振频率，相对带宽
图 2 矩形切角 E 形天线
图 1 基本天线模型
2． 3 模型改进及仿真分析
以图 1 的基本天线为基础进行改进，如图 2 所 示，新型天线采用高介电常数 εr = 4． 55 介质基板， 在接地板上开窗以及将矩形贴片改为 E 形贴片上 并切矩形角。改进后的天线从上至下依次为贴片、 介质基板、接地板及开窗、50 Ω 同轴线馈线。其中 贴片总体尺寸为 L2 × W2 = 24． 5mm × 26mm，缝大小 为 w × l = 2mm × 12mm，贴片铜箔厚度为 0． 018mm； 矩形切角大小 a × b = 7． 5 mm × 6mm，介质基板增加
［4］ 胡志慧，姜永华，凌祥． 新型毫米波宽带圆极化微带天 线阵列设计［J］． 微波学报，2013，29（ 1） ： 70 － 73，77．
［5］ 钱祖平，刘宗全，冯卫华，倪为民． 一种新型宽带宽波 束圆极化微带天线的设计［J］． 电波科学学报，2011， 26（ 6） ： 1170 － 1174．
（ 收稿日期： 2013-11-18）
— 62 —
《无线通信技术》2014 年第 1 期
为基础，通过在接地板开窗和在贴片上切矩形角的 方法再次仿真结果表明，在中心工作频率 2． 4GHz 处，相对带宽到达 66． 3% （ VSWＲ ≤2） ； 并实现了小 型化，面积为原始天线的 60． 1% 。
参考文献
Байду номын сангаас
图 4 天线方向图
3结语
阻抗带宽窄一直限制微带天线的发展。如何展 宽微带天线的频带也一直是专家学者们关注的话 题。采用 E 形贴片是常用的方法，本文以 E 形贴片
（ 收稿日期： 2013-11-25）
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6 结束语
本系统实现了基于 GSM 的民用家电短信自动 控制。通过 AＲM 单片机对房屋信息的成功读取， 可以在显示屏上监控到房屋的环境变化信息。系统 通过温度、气 敏、湿 敏 传 感 器 对 房 屋 内 自 动 安 全 监 控，对房屋的异常情况立即通过短信方式通知指定 的手机。实现了成本低廉、实用性强的 GSM 远程管 理控制系统。
线的谐振频率，ΔL 为边缘场影响而产生的偏移量。
了厚度，为 1． 5mm，尺寸大小为 LG2 × WG2 = 40 mm × 40mm； 接地板开窗为 26mm × 7mm； 馈电点距贴片 下侧边缘为 d2 = 7． 5mm。
2． 2 仿真优化
在仿真软件中按公式计算出的尺寸进行仿真并 优化，得到普通天线设计如图 1 所示，从上到下依 次为贴片、介质基板、接地板和同轴馈线。其中贴片 铜箔厚度为 0． 018mm； 贴片大小为 L1 × W1 = 36mm × 41mm； 介质基板厚度 1mm，介电常数 εr = 2． 65， 大小为 L1 × WG1 = 48mm × 55mm； 接地板铜箔厚度 与贴片一致，同为 0． 018mm； 馈电方式采用 50 Ω 同 轴线馈电，馈电点距贴片下侧边缘为 d1 = 6． 3mm。
参考文献
［1］ 裴蓓，赵丽． 基于 GSM 的家庭远程智能监控系统设计
［J］． 制造业自动化，2013． 5． 26 － 28． ［2］ 朱新志． 基于 GSM 短消息和 PLC 的轴快流 CO2 激光
器远程监控系统［D］． 华中科技大学硕士学位论文． 2012． 1． 5． 1 － 56． ［3］ 徐魁，蒋瑀瀛． 基于 GSM / GPＲS 通信的抄表系统［J］． 电力系统自动化，Vol． 28 － No． 17，94 － 96． ［4］ 郑钢，何香玲，曲天培． 基于 GSM 的车辆定位监控系 统及短消息通信方法［J］． 计算机测量与控制，2003 ． 11 （ 11） ． 887 － 892． ［5］ 周 彬． 基 于 GSM 短 消 息 的 路 灯 远 程 监 控 系 统 设 计 ［D］． 合肥工业大学硕士学位论文． 2006． 5． 1 － 79． ［6］ 牛媛媛． 基于 GSM 网络的 LED 显示系统的研究与实 现［D］． 南京理工大学 硕 士 学 位 论 文． 2012． 11． 1 － 72．