藺占中，孫 良

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種新型高增益寬頻帶微帶天線

藺占中，孫 良

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高增益的寬帶微帶天線。利用加載反射腔技術(shù)使微帶天線實(shí)現(xiàn)了定向的輻射，并采用增加寄生貼片來調(diào)節(jié)阻抗匹配和改善天線的輻射特性。應(yīng)用上述原理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種工作于5.85～7.18GHz的寬帶微帶天線，在工作頻帶內(nèi)，電壓駐波比小于2.0，增益不小10.5dB。文中介紹了天線的工作原理和設(shè)計(jì)思路，并給出了天線的仿真結(jié)果。

高增益；寬帶；微帶天線

無線通信領(lǐng)域中，天線是一個非常重要的組成部分。而微帶天線具有低剖面、重量輕、量產(chǎn)成本低、便于設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在軍事測控、遙測、遙感以及通信等諸多方面都得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的迅速發(fā)展，通信和雷達(dá)等設(shè)備對其整體性能、體積、損耗等要求越來越高，催生了許多新技術(shù)和新工藝[1]。在電路板集成技術(shù)的快速發(fā)展對小體積低剖面天線的需求之下，微帶天線得到了迅速的發(fā)展。

自1953 年微帶天線的概念被提出以來，微帶貼片天線因其特有的體積小、重量輕、加工成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種軍事和民用的通信及其它領(lǐng)域[2-3]; 但微帶天線也有其缺點(diǎn),如工作頻帶較窄、增益低等，大大限制了其應(yīng)用范圍。許多科研人員提出了各種結(jié)構(gòu)的微帶貼片形式，試圖增加其工作帶寬、提高其增益,優(yōu)化天線的性能。Pozar在其論文中提出了耦合饋電形式的微帶天線，這種方式與傳統(tǒng)微帶天線的饋電相比，可以減少饋電部分介質(zhì)材料對天線帶寬的不利影響，抑制了寄生輻射[4-5]。他在1991年又設(shè)計(jì)了一款形式的微帶天線, 其結(jié)構(gòu)為雙層貼片,增加了天線的工作帶寬[6]。Sun等人在2009 年設(shè)計(jì)了一種微帶貼片天線，工作頻率很寬, 是通過對微帶貼片進(jìn)行切角從而展寬了天線的工作頻帶，獲得了16% 的帶寬值[7]。隨后又有科研人員對上述幾種天線做了改進(jìn)和優(yōu)化, 對微帶天線進(jìn)行組陣提高了天線增益，但是其體積和帶寬仍然沒有得到滿意的結(jié)果[8-9]?；谏鲜鲅芯?，本文設(shè)計(jì)了一款新型寬頻帶、高增益微帶天線，對仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明該天線具有一定的實(shí)用價值。

1 微帶天線的設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)

該微帶天線結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，總共由反射腔、寄生貼片、輻射體和反射板這四部分組成。采用多層結(jié)構(gòu)，由三層印制板和兩層空氣層組成。外殼是一個一面開口的長方體反射腔，其作用是形成單向輻射，使電磁波能量集中，以提高增益。另外三部分均為印制板結(jié)構(gòu)。最上面一層為寄生貼片，在印制板上刻有兩個等大的正方形寄生貼片，如圖1(b) 所示其作用是改善為帶天線的阻抗匹配和輻射特性。中間一層為輻射部分，印制板的上部除了兩個矩形縫隙之外全部為金屬涂覆層，印制板下部為E型結(jié)構(gòu)，如圖1(c)所示，其作用是主要的輻射體，上部縫隙對寄生貼片可以耦合饋電。最下面一層印制板是整層的金屬涂覆層，起反射的作用，如圖1(d) 所示。

(a) (b)

(c) (d)圖1 微帶天線結(jié)構(gòu)框圖

在上述原理的指導(dǎo)下，使用電磁仿真軟件HFSS建立了天線的仿真模型，經(jīng)過反復(fù)的仿真優(yōu)化計(jì)算之后，得到了相對理想的計(jì)算。

2 微帶天線的仿真分析

下面介紹對本文所述的微帶天線的仿真分析。根據(jù)仿真結(jié)果加工了微帶天線的實(shí)物。

在電磁仿真軟件HFSS16中對該微帶天線進(jìn)行了仿真，給出了其電壓駐波比的仿真結(jié)果。

由圖2可見，在5.85～7.18GHz的頻帶范圍內(nèi)，微帶天線的駐波不大于2.0，有兩個諧振點(diǎn)，這種天線結(jié)構(gòu)展寬了天線固有帶寬，使天線的帶寬達(dá)到了1.23個倍頻程。

圖2 微帶天線的電壓駐波比

此外，還對微帶天線的輻射方向圖做了仿真分析，如圖3所示。

圖3 天線輻射方向圖仿真結(jié)果

圖3中(a)(b)(c)分別為天線工作頻率為5.85GHz、6.52GHz和7.18GHz時的輻射方向圖曲線，其輻射特性達(dá)到了較為理想的結(jié)果。

3 結(jié)束語

通過采用加載反射腔和寄生貼片的技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一種多層印制板結(jié)構(gòu)的寬帶高增益微帶天線，對所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行實(shí)物加工，在中心頻率6.52 GHz，相對阻抗帶寬為123%，增益為10.5 dB。該天線具有寬頻帶和高增益的特性，可為雷達(dá)、通信、航空航天和電子對抗等領(lǐng)域天線的研發(fā)提供一定的工程參考。

[1] 孫晨華.天基傳輸網(wǎng)絡(luò)和天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀與問題思考[J].無線電工程,2017,47(1):1-6.

[2] Targonski S. D，WaterHouserB，Pozar D．M．Designof wide-band aperture-stacked patch microstrip antenna[J]． IEEE Transactions on Antennas Propagation，1998， 46(9):1245-1251．

[3] Yang Wanchen，CheWenquan，Wang Hao．High-gaindesign of a patch antenna using stub-loaded artificial magneticconductor[J]． IEEE Antennas and Wireless PropagationLetters，2013，12:1172-1175．

[4] Pozar D M，Targonski S. D． A shared-aperture dualbanddual-polarized microstrip array[J]． IEEE Transactionson Antennas Propagation，2001，49(2):150-157．

[5] Ghassemi N，Mohassel J.R，Mohanna S，et al ．Awideband aperture-coupled microstrip antenna for S and Cbands[J]．Microwave and Optical Technology Letters，2009， 51(8):1807-1809．

[6] Frederic C，Pozar D.M．Millimeter-wave design ofwide-band aperture-coupled stacked microstrip antenna[J]．IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1991，39(12):1770-1776．

[7] 孫思揚(yáng)，林欣，高攸綱，等．一種可展寬頻帶的微帶貼片天線[J]．電波科學(xué)學(xué)報， 2009，24(2):307-310．

[8] 倪國旗，梁軍，余白平.一種寬頻帶高增益16單元微帶天線陣設(shè)計(jì)[J]．電訊技術(shù)， 2013，53(6):786-790．

[9] 梅立榮,張乃柏,馬延爽,等.一種C波段寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)與仿真[J].無線電通信技術(shù), 2014,40(4):64-66.

A novel high gain and wideband microstrip antenna

LIN Zhan-zhong，SUN Liang

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081，China)

In this paper, a high gain and wideband microstrip antenna is proposed. By utilizing a reflector cavityto implementing the single direction radiation of the microstrip antenna, also, two parasitic patches were added to adjust the impedance match and to improve the radiation characters.Basing these theories, a wideband microstrip antenna which operates at the frequency bandof 5.85～7.18GHz is designed and implemented. During its operating frequency band, the voltage standing wave ratio is acquired less than 2.0, and the gain of more than 10.5 dB is acquired. Meanwhile, the antenna principle and design mentality are given, simulation results of the proposed antenna are also illustrated.

High gain; Wideband; Microstrip antenna

2017-02-20

藺占中(1984-)，男，工程師,主要從事天線理論研究與設(shè)計(jì)工作.

1001-9383(2017)01-0040-04

TN911.7

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