周 靜，李進(jìn)陽(yáng)，孫廣輝

?

折疊L形空氣介質(zhì)微帶天線設(shè)計(jì)

周 靜1，李進(jìn)陽(yáng)2，孫廣輝1

（1. 南京郵電大學(xué) 通達(dá)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司723所，江蘇 揚(yáng)州 225001）

針對(duì)傳統(tǒng)微帶天線體積較大、損耗高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款工作于UHF頻段的天線。首先，采用空氣介質(zhì)微帶天線形式有效地降低損耗，同時(shí)利用折疊方法使得天線小型化，實(shí)現(xiàn)了較低的剖面，僅為0.030；其次，利用L形饋電結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增加了天線帶寬，相對(duì)帶寬達(dá)到34.4%；最后，利用四饋饋電網(wǎng)絡(luò)使天線實(shí)現(xiàn)圓極化。天線尺寸為124 mm×124 mm×15 mm，中心頻點(diǎn)為626 MHz，該頻點(diǎn)處增益為5.2 dB。

空氣介質(zhì)微帶天線；UHF；折疊結(jié)構(gòu)；L形饋電；四饋結(jié)構(gòu)；圓極化

微帶天線具有剖面低、易加工及電性能多樣化等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在無(wú)線電和通訊的各個(gè)領(lǐng)域[1-2]。近段時(shí)間，工作在UHF頻段的天線引起大家極大興趣，隨著小型化趨勢(shì)越演越烈，低剖面天線的研究迫在眉睫，然而天線效率和帶寬與其體積密切相關(guān)，因此獲得低剖面寬帶天線是非常困難的，經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)天線低剖面的手段不斷被提出[3-9]，如疊層U型天線結(jié)合U型地[4]使帶寬達(dá)到21.6%，但天線剖面較高，達(dá)到0.210，并且只能實(shí)現(xiàn)線極化。此外通過(guò)增加短路針及改進(jìn)饋電技術(shù)可以使天線帶寬得到一定的展寬[5-6]；一款采用三維饋電結(jié)構(gòu)的空氣微帶天線[7]，其剖面進(jìn)一步減至0.0720；另一款圓環(huán)狀貼片天線[9]雖然實(shí)現(xiàn)了更低剖面0.040，但其相對(duì)帶寬較窄。

本文采用空氣介質(zhì)、L形耦合饋電以及折疊相結(jié)合方法，提出了一款工作于UHF頻段的新型微帶天線，具有低剖面、寬帶寬及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。一方面，因介質(zhì)損耗是引起微帶天線損耗過(guò)大的原因之一，所以天線設(shè)計(jì)采用空氣介質(zhì)；同時(shí)，由于采用空氣介質(zhì)會(huì)導(dǎo)致體積偏大，因此利用折疊方法可以較好地解決該問(wèn)題；采用L形耦合饋電方法進(jìn)一步展寬帶寬；最后，采用四饋饋電法實(shí)現(xiàn)圓極化。另一方面，本文天線中除饋線外，天線材質(zhì)均為銅金屬，有效降低了天線制作成本。

1 設(shè)計(jì)

1.1 天線設(shè)計(jì)

天線三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，由四部分組成：折疊空氣介質(zhì)微帶天線，耦合饋電L形結(jié)構(gòu)，聚四氟乙烯直角支撐墊片以及地板。首先，天線采用空氣作為介質(zhì)有效地降低損耗，同時(shí)利用折疊使得天線小型化，折疊步驟如下：首先，將金屬貼片的四個(gè)邊緣向下垂直翻折；其次，再將該翻折貼片下邊沿部分向內(nèi)翻折90°；第三，利用曲流技術(shù)進(jìn)一步減小天線截面積，將頂部及側(cè)面貼片沿邊沿彎曲成“弓”形，向內(nèi)翻折部分完全一致且互不接觸。為進(jìn)一步拓寬帶寬，本設(shè)計(jì)采用耦合饋電L形結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造由探針和平面金屬片組成，探針頂部與金屬片相互垂直，并且焊接在一起，探針底部經(jīng)過(guò)地板上的通孔與四饋饋電網(wǎng)絡(luò)的輸出口相連，饋電網(wǎng)絡(luò)輸出四個(gè)幅度相等，相位依次相差90°的四個(gè)支路對(duì)天線饋電，使其實(shí)現(xiàn)圓極化，饋電金屬片與內(nèi)翻折的貼片互相平行，且二者之間利用泡沫支撐。由于天線利用銅制作，沒(méi)有介質(zhì)作為支撐，故在天線與饋線介質(zhì)板之間的四個(gè)拐角處分別放置聚四氟乙烯直角墊片，用來(lái)支撐整個(gè)天線。

（a）天線3D圖

(b) 側(cè)視圖

(c) 頂視圖（移除頂部貼片）；(d) 側(cè)視圖沿線A-B 單位: mm

1.2 饋線設(shè)計(jì)

饋電網(wǎng)絡(luò)如圖2所示為一分四功分器[10]，其結(jié)構(gòu)包括威爾金森功分器以及180°的混合環(huán)，兩個(gè)威爾金森功分器的輸入口分別與混合環(huán)的兩個(gè)輸出口相接，180°混合環(huán)的作用是產(chǎn)生兩個(gè)具有180°相位差且幅度相同的分量，這兩路信號(hào)通過(guò)威爾金森功分器產(chǎn)生90°的相位延遲，形成四路等幅，相位正交的分量。饋電結(jié)構(gòu)制作在相對(duì)介電常數(shù)為6、厚度為1 mm的介質(zhì)板上。

圖2 圓極化天線饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 仿真結(jié)果與討論

應(yīng)用HFSS電磁仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真分析。在天線設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)饋電L形結(jié)構(gòu)中水平金屬片的寬度以及探針的高度，可以比較顯著地調(diào)節(jié)天線的諧振頻率以及改善匹配性能。圖3中給出11隨水平金屬片寬度的變化情況。由圖可知，改變的值可明顯地改變11，隨著的增大，天線的阻抗匹配變好，且諧振頻率隨著的增大向高頻偏移，最終的值取為27 mm。圖4中給出探針高度對(duì)天線11影響的仿真曲線，從曲線中可知，隨著探針高度的增加，天線的工作頻率右移，且匹配程度先變好，但隨探針高度進(jìn)一步增大，天線的匹配變差。分析得知，引起變化的原因是當(dāng)探針過(guò)高時(shí)，與頂部貼片的耦合程度過(guò)強(qiáng)，干擾頂部貼片的電流分布，導(dǎo)致天線的匹配惡化，由此，最終探針高度定為6 mm。

圖3 水平金屬片寬度L對(duì)天線S11影響曲線

圖4 探針高度H對(duì)天線S11影響曲線

仿真時(shí)，天線下方設(shè)置一塊反射板，尺寸為600 mm×600 mm。圖5所示為天線在附加饋電網(wǎng)絡(luò)情況下的11曲線，從曲線可知，|11|小于–10 dB的頻率范圍覆蓋410~840 MHz，帶寬非常寬。圖6給出了天線增益以及軸比的仿真結(jié)果，在626 MHz附近，仿真增益為5.2 dB，由于采用四饋電結(jié)構(gòu)，天線的軸比性能很好，在中心頻點(diǎn)附近軸比均在2 dB左右。圖7所示為天線在626 MHz處E面及H面輻射方向圖。由圖可以看出，天線在該頻點(diǎn)處，E面和H面的輻射方向圖具有較高的對(duì)稱性。為了直觀說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的天線的性能，文章選取了參考文獻(xiàn)中幾款天線作為參照進(jìn)行對(duì)比，如表1所示，可以看出，本文設(shè)計(jì)天線具有更低的剖面和較寬的阻抗帶寬。

圖5 天線S11仿真曲線（含饋電網(wǎng)絡(luò)）

圖6 天線增益和軸比仿真曲線

圖7 天線在626 MHz的E面和H面輻射方向圖

表1 參考文獻(xiàn)與本文天線性能比較

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一款工作于UHF頻段的L形折疊空氣介質(zhì)微帶天線，具有低剖面圓極化性能，利用空氣作為天線介質(zhì)減小天線損耗，同時(shí)利用折疊方法獲得了較低的剖面，剖面僅為0.030；天線又利用耦合L形饋電方式進(jìn)一步增加了天線帶寬；最后利用四饋法使得天線實(shí)現(xiàn)的良好的圓極化性能。天線除饋線外的其余部分均為全金屬結(jié)構(gòu)，降低了天線制作成本。

[1] 宋杰, 于映, 王寅豪. 一種應(yīng)用于WLAN的單層寬頻微帶天線設(shè)計(jì)[J]. 電子元件與材料, 2016, 35(6): 82-84.

[2] 邵俊歡, 王新彥, 高玉恒, 等. 一種應(yīng)用于WLAN/WiMAX的雙頻微帶天線 [J]. 電子元件與材料, 2015, 34(4): 51-54.

[3] LEE H R, RYU H K, LIM S, et al. A miniaturized, dual-band, circularly polarized microstrip antenna for installation into satellite mobile phones [J]. Antenna Wireless Propagation Lett, IEEE, 2009(8): 823-825.

[4] WANG Z B, FANG S J, FU S Q, et al.A wide band stacked plate antenna with a U-shaped[C]//Antennas Propagation and EM Theory (ISAPE), 2010 9th International Symposium. Guangzhou: The Conference Organizer, 2010: 71-74.

[5] ZHANG Z Y, FU G, GONG S X, et al. Sleeve monopole antenna for DVB-H applications [J]. Electron Lett, 2010, 46(13): 879-880.

[6] PAN Y, ZHENG L, LIU H J, et al. Directly-fed single-layer wideband RFID reader antenna [J]. Electron Lett, 2012, 48(11): 607-608.

[7] ZEB B A, MEINCKE P. An air-supported wideband circularly polarized patch antenna [C]//Microwave Antenna ropagation and EMC Technologies for Wireless Communications, 2009 3rd IEEE International Symposium. NY, USA: IEEE, 2009: 427-429.

[8] SIM C Y D, CHI C J. A slot loaded circularly polarized patch antenna for UHF RFID reader [J]. Antenna Propagation IEEE Trans, 2012, 60(10): 4516- 4521.

[9] CHEN X, FU G, GONG S X, et al. Circularly polarized stacked annular-ring microstrip antenna with integrated feeding network for UHF RFID readers[J]. IEEE Antenna Wireless Propagation Lett, 2010(9): 542-545.

[10] 周靜. UHF頻段天線小型化研究與設(shè)計(jì) [D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2014.

Folded L-shaped air-supported patch antenna

ZHOU Jing1, LI Jinyang2, SUN Guanghui1

(1. Tongda College of Nanjing University of Posts & Telecommunications, Yangzhou 225127, Jiangsu Province, China; 2. The 723 Institute of CSIC, Yangzhou 225001, Jiangsu Province, China)

As everyone knows, the sizes of the traditional microstrip antennas were very large, and the losses were relatively large. To solve these problems, a miniaturized circularly polarized air-supported patch antenna worked at ultra-high-frequency (UHF) band was proposed. First of all, air was used as a supporting substrate of the antenna for lowering loss, meanwhile, novel folded structure was designed to realize miniaturization, and the overall height of the folded antenna was only 0.030. Secondly, the proposed antenna was fed by an L-shaped strip to realize a large bandwidth of 34.4%. Lastly, the four feed method was used for the realization of the circular polarization radiation. The dimension of the proposed antenna is 124 mm×124 mm×15 mm (0.250×0.250×0.030), at 626 MHz), and the gain is 5.2 dB.

air-supported microstrip antenna; UHF; folded structures; L-shaped feeder; four feed structure; circular polarization

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.10.011

TN82

A

1001-2028（2016）10-0049-04

2016-09-05

周靜

周靜（1986－），女，江蘇揚(yáng)州人，助教，主要研究方向?yàn)槲⒉夹g(shù)和天線，微波器件，E-mail: 600syzj@163.com；

李進(jìn)陽(yáng)（1984－），男，江蘇揚(yáng)州人，工程師，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄓ性措娐?，微波器件，電磁散射，E-mail: ljy1210zj@163.com；

孫廣輝（1986－），男，山東東營(yíng)人，助教，主要研究方向?yàn)闇y(cè)量控制與儀器、FPAA技術(shù)應(yīng)用研究，E-mail: sunguanghuihui@126.com。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-09-29 10:10:58

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160929.1010.011.html

（編輯：陳渝生）