一种开双C型槽的新型宽带微带天线设计

摘 要:提出一种新型宽带天线结构,在天线贴片两边缘开两C型槽,以激励出新的谐振点,并在介质与地板间加入空气层,降低Q值,从而在较小体积的条件下实现展宽带宽的目的。通过仿真与测试结果表明,该天线在3.92~4.47 GHz频带内反射系数均小于-10 dB,方向增益达到8.22 dB,具有良好的辐射特性。

关键词:微带天线;宽频带;C型槽;开槽

中图分类号:TN82文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)05-070-03

Design of Novel Broadband Microstrip Antenna with Double C-slots

LI Cunlong,SHI Xiaowei,XU Le,LIN Haojia,BAI Yanfu

(National Key Laboratory of Science and Technology on Antennas and Microwaves,Xidian University,Xi′an,710071,China)

Abstract:A novel wideband microstrip antenna is proposed.Two C-slots are etched in the edge of the antenna patch in order to stimulate a new resonance frequency.The air layer which is added between the media and the ground can reduce the Q value.So the purpose of exhibiting wide bandwidth can be achieved in small size.The simulated and measured results show that the reflection coefficient of the antenna in 3.92~4.47 GHz band is less than -10 dB,the direction of the gain is 8.22 dB with good radiation characteristics.

Keywords:microstrip antenna;wideband;C-slot;slotted

0 引 言

微带天线以其尺寸小,电性能多样化等特点得到了广泛使用,但是由于其高Q的谐振本性决定了其带宽很窄,限制了应用,所以要展宽微带天线带宽。展宽微带天线的方法很多,在现有的宽带微带天线结构中,展宽带宽的同时都会牺牲天线其他方面的性能。为了展宽带宽,可以采用双层结构,但双层结构的天线往往厚度很大。T.Huynh and K.-F.Lee提出一种采用空气介质的单层、单辐射贴片开U形槽的结构[1],获得了较宽的阻抗带宽,这种结构的槽开在天线贴片中央位置,对方向图有一定影响,并且其厚度仍然很大。其后,又有工作者提出了单层E型天线形式[2],虽然得到了满意的带宽,但尺寸往往很大,其宽边一般都达到普通微带贴片的1.5～2倍。

为了克服这些缺点,本文设计了一种性能良好的新型双C型槽宽带微带天线结构。该结构天线与开U型槽以空气为介质的天线相比,减小了高度,并对方向图无影响,且在结构尺寸上有比单层E型天线更小的优势。

1 天线基本结构与原理

天线的基本结构如图1所示。上层是尺寸为Wg×Wg的介质层,相对介电常数为εr,金属贴片尺寸为W×W,C型槽竖向槽长度为l1,横向槽长度为l2,槽宽度都为d,介质厚度为h。下层是尺寸为Wg×Wg的地板,在地板和介质层之间有一厚度为h1的空气层。贴片位于介质层上表面,用同轴探针馈电,贴片两边分别开有C型槽。

图1 天线基本结构图

天线两边开两C型槽,增加了电流路径,在边缘处产生反向电流激励,从而产生新的谐振点。当新的谐振频率与原来谐振频率靠得很近时,微带天线的带宽便得到了展宽,但由于微带天线Q太高,很难实现宽带,所以要降低Q值,可以采用增加介质高度和降低介电常数的方法,给天线加上一层空气层,介质与空气形成两层介质,可等效成一层介电常数比较低的新介质。空气层的加入既增加了介质厚度,又降低了介质常数,从而降低了天线Q值,有利于带宽展宽。

2 天线设计

以图1所示的天线结构为基础,采用介电常数εr为2.65的聚四氟乙烯为介质材料,设计了一个中心频率在4.2 GHz的天线。采用ANSOFT HFSS 11进行仿真优化。

该天线可以产生两个谐振点,C型槽尺寸对天线高低两谐振点有一定影响,低频谐振点则由C型槽尺寸决定,当增加C型槽竖向长度和横向长度时,电流路径增加,谐振点位置有所变化。如图2所示,当增加C型槽竖向长度l1时,高频谐振点基本不动,低频谐振点向低频移动。如图3所示,当增加C型槽横向长度l2时,高频谐振点基本不动,低频频谐振点向低频移动。可以看出,当C型槽尺寸增加时,电流路径增加,低频谐振点变低,高频谐振点位置不受C型槽影响,而由天线原尺寸决定。

图2 C型槽竖向长度l1对S11影响

图3 C型槽横向长度l2对S11的影响

调节C型槽竖向与横向长度,使两谐振点最优组合,得到S11性能最好的结果。分别得到在3.92 GHz和4.27 GHz的两个谐振点,设计出中心频率在4.2 GHz的宽带微带天线,仿真S11如图4所示。优化后的尺寸如表1所示。

图4 设计天线的仿真S11

表1 天线尺寸

mm

WgWl1l2dWshh1fx

5025235.121147.3

图5给出天线工作在3.9 GHz时贴片边缘上的电流流向。由图5可以看出,受贴片上开槽的影响,电流流经的路径变长,因此谐振频率较低。图6给出天线在4.3 GHz工作时贴片上的表面电流。由图6可见,在C型槽两侧几乎没有反向电流,所以产生高频谐振点。

图5 3.9 GHz贴片边缘电流

图6 4.3 GHz时贴片边缘上电流分布

3 天线结果测量与分析

天线实物如图7所示,与普通微带天线相比新型天线的贴片大小基本保持不变,贴片的边长仅为0.45λ0 (λ0为中心频率的工作波长),和普通的微带贴片天线相当。

图7 天线实物

图8给出了仿真和实测曲线。在仿真和测试结果中,高谐振频率和低谐振频率吻合良好,仿真与实测结果非常吻合。实测结果中,S11

图9给出了C型槽宽带微带天线在中心频率4.2 GHz的方向图,因为天线C型槽开在天线两边缘部位,离中心点较远,所以对天线的方向图基本没有影响。从图中可以看出,天线增益最大值在天线正上方,增益8.3 dB,副瓣最大值在-7 dB左右,与普通微带天线方向图基本一致。

图8 S11仿真值与测量值的比较

图9 天线E面、H面方向图

4 结 语

提出了一种开双C型槽的新型宽带天线,通过C型槽增加电流路径激励处新的谐振点,并加入空气层,减小天线Q值,从而展宽带宽。该天线结构有效地展宽了带宽,与普通微带天线相比,带宽展宽3倍,但其他性能并没因此受到影响。贴片的面积小,一般U型槽宽带微带天线结构需要采用大的贴片,通常是普通微带天线的1.5～2倍;该天线结构的面积仅与普通微带天线相当,更能满足对贴片横向尺寸要求严格的情况,且厚度较低。此天线厚度仅为0.07λ0,与多层结构相比,厚度得到有效降低,结构比多层结构更简该单。参数对驻波曲线影响不太剧烈,与加载短路探针的宽带微带天线结构相比,提出的天线设计和加工更为方便,带内增益比较稳定。该天线结构可作为共形阵单元,用于军用通信。