罗志升 王 黎 高晓蓉 王泽勇 赵全轲
摘 要：微带天线其本身具有的固有带宽十分狭窄,很难应用于更多更广的领域中,所以对微带天线带宽展宽的研究具有十分重要的意义。采用Ansoft公司的HFSS仿真软件仿真分析了L型探针馈电方法的微带贴片天线,并且设计了一个中心频率为1 000 MHz的L形探针馈电方法的微带贴片天线,其绝对带宽为320 MHz,达到了中心频率的32％,辐射增益大约为9 dB。其具有尺寸小,结构简单,超宽带的特征。
关键词：带宽；中心频率；L型探针馈电；微带贴片天线
中图分类号：TN82 文献标识码：B
文章编号：1004-373X(2009)01-070-04
Design and Analysis of Bandwidth-enhancement Technique of L-probe-fed Patch Antenna
LUO Zhisheng,WANG Li,GAO Xiaorong,WANG Zeyong,ZHAO Quanke
(College of Sciences,Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031,China)
Abstract：Microstrip antennas have inherent extremely narrow band-width,it is very difficult to be applied in more domains.Thus the wide band-width research of microstrip antennas is of great significance to the application.In this paper,by using Ansoft Company′s simulation software HFSS,the simulation and analysis of L-probe-fed microstrip patch antenna are shown,and a 1 000 MHz center frequency L-probe-fed microstrip patch antenna is designed.Its absolute bandwidth is 320 MHz,reaching 32% bandwidth of that at the center frequency.The radiation gain is about 9 dB,it is characterized by its small size,simplified structure and ultra-wide band.
Keywords：band width;center frequency;L-probe-fed;microstrip patch antenna
0 引 言
最近几十年微带天线的发展非常迅速,但微带天线其本身具有的固有带宽十分狭窄,很难应用于更多更广的领域中,所以对微带天线带宽展宽的研究具有十分重要的意义。近来超宽带天线成了一个热门的话题,但是展宽贴片天线频带十分困难［1］。在对天线进行设计时,既要实现天线的宽带化,又要限制天线的尺寸大小,而且还要满足天线的驻波、增益等指标,类似这样的天线设计问题是十分困难的。如何协调好上述关系以获得最佳天线结构,则成为宽带天线设计的核心问题［2,3］。该文讨论用L型探针方法来展宽贴片天线带宽的方法,仿真设计出
了一个中心频率为1 000 MHz带宽为32％的L型探针馈电的贴片天线。
1 中心频率1 000 MHz的L型探针馈电天线的设计及仿真
1.1 模型确定
设计指标为中心频率为1 000 MHz,带宽为30％以上。当频率等于1 000 MHz时,波长(单位：m)如下式所示：
λ0＝cf＝3×1081 000×106＝0.3
(1)
εr＝1(即为空气或者泡沫基片),天线模型尺寸初步设计如下:
L= 16.5 cm,W=14.5 cm,Lp=5.54 cm,D=1.06 cm,基片厚度2.58 cm,探针直径0.53 cm,如图1所示。通过HFSS软件对其进行仿真设计,设计的仿真模型、俯视图、侧视图如图2~图4所示。
图1 天线的尺寸标示
图2 天线的仿真模型
在图1中,L表示为贴片的长度,W为贴片的宽度,LP为探针的左端到右端的距离,D为探针左端到贴片的距离,模型基片厚度固定为2.58 cm。
图3 天线仿真模型俯视图
图4 天线仿真模型侧视图
1.2 仿真调试
对上述仿真模型进行仿真,得到的仿真结果如图5所示。
图5 驻波比曲线图(一)
图5为在模型尺寸：L＝16.5 cm,W=14.5 cm,Lp=5.54 cm,D=1.06 cm,t=2.58 cm下得到的驻波比曲线图,此时的带宽只有7.5%左右,且中心频点离1 000 MHz漂移也有点大,结果与设计指标相差甚多。为了得到设计指标结果,调整参数,首先调整贴片的大小来增加贴片天线的带宽,然后再调整贴片与探针的相对位置来满足频点指标,于是将贴片尺寸进行缩小,尺寸如下:长L为16.5 cm,宽W为12.5 cm,其余参数均不改变,对其再进行仿真分析,得到的驻波比图如图6所示。
可见,此时尺寸为L＝16.5 cm,W=12.5 cm,Lp=5.54 cm,D=1.06 cm,t=2.58 cm时带宽增加为14.4%,中心频点为860 MHz,明显比一开始设计参数的贴片有了改进,但是离设计指标还是相差很多,对其贴片尺寸再进行调节：长为16.5 cm,宽为11.5 cm,进行仿真分析,得到的驻波比曲线图如图7所示。
图6 驻波比曲线图（二）
图7 驻波比曲线图（三）
由图7可见,带宽有了很大的增加,此时模型尺寸为：L＝16.5 cm,W=11.5 cm,Lp=5.54 cm,D=1.06 cm,t=2.58 cm。带宽为25％,且中心频点也在 1 000 MHz附近,由于带宽还是未达到30%以上,所以对其再进行改进,贴片尺寸改为：长为15 cm,宽为 11 cm,得出驻波比曲线图如图8所示。
图8 驻波比曲线图（四）
由图8可知,在L＝15 cm,W=11 cm,Lp= 5.54 cm,D=1.06 cm,t=2.58 cm的尺寸下,带宽已经有了很大的改进,此时的带宽为30%左右,且中心频点在1 000 MHz附近,为了进一步达到目标,依照以前的思路,对贴片的尺寸进一步调整：长为15 cm,宽为 10.5 cm,于是可以得到驻波比曲线图如图9所示。
此时可以看出,在模型尺寸为:L＝15 cm,W=10.5 cm,Lp=5.54 cm,D=1.06 cm,t=2.58 cm时,驻波比在2以下的频率范围为0.91~1.23 GHz,其绝对带宽为0.32 GHz,相对带宽已经达到32％,而且中心频点为1 000 MHz,已经达到最初给出的设计指标,为了进一步得到更好的结果,于是对其尺寸再进行改变,且对其探针长度、探针的设计及其基片厚度进行改变,发现再改变反而驻波比明显下降,且其余结果也会变得不理想,所以这就是得到的最佳结果,且此时的贴片的长度也满足由下式：
l歃䓕2=λ02εe=0.321=0.15
(2)
计算得到的谐振长度［4］。
图9 驻波比曲线图（五）
1.3 最终结果表示
通过以上的仿真调试可以看出图9正是要得到的驻波比曲线图。表1给出了得到图9的设计的尺寸；表2列出了从图9中得出的天线的中心频率、绝对带宽、相对带宽及增益的值。
表1 天线设计尺寸
天线的设计尺寸尺寸大小 /cm
贴片长度L15
贴片宽度W10.5
探针长度Lp5.54
基片厚度t2.58
探针直径D0.53
接地板尺寸30×34
表2 天线的参数值
天线参数参数值
中心频率1 000 MHz
绝对带宽320 MHz
带宽(相对带宽)32%
增益9 dB
通过HFSS软件也可以得到在表1尺寸下的S 11参数图、φ=0°辐射方向图、φ=90°辐射方向图及天线增益3D模型图,分别如图10~图13所示。
其余参数图从图10可以看出,S参数在-10 dB以下的是从0.92~1.23 GHz,可知其绝对带宽为 0.31 GHz,其相对带宽为30％以上,基本和由驻波比得到的带宽符合。
图10 S 11参数图
图11 φ=0°辐射方向图
图12 φ=90°辐射方向图
图13 天线增益3D模型图
由图10~图13可知,最终得到的L型探针馈电方式贴片天线其带宽为32％,增益大约在 9 dB的水平。影响贴片天线的带宽和中心频率的因数有：贴片的尺寸大小,基片的厚度,贴片与L型探针的相对位置,L探针的长度,馈电点位置也有影响［5,6］,具体来说,贴片的长度L由式(2)可以计算得出,对其长度L及其宽度W进行调节及基片厚度的改变会改变贴片天线的带宽及其中心频点,L探针长度的改变及馈电点的位置也会影响带宽但对中心频点的影响很小,这就会有一个最佳尺寸［7,8］,且从以上可以看出最初的设计尺寸未能达到指标要求。为了达到设计目标,对贴片尺寸进行了重点调节,其余的影响参数只是对其进行了很小的修改,而且达到设计要求后,对其他影响参数也进行了微调,由此得出了上文中的规律和结论。
2 结 语
介绍了L型探针馈电方式的展宽频带方法。以前,人们在微带贴片天线的频带展宽方面常采用多层结构,虽展宽了频带但使天线的结构复杂化,有悖于宽带的微带贴片天线逐渐向小型化、结构简单的发展方向［9,10］。探讨了贴片天线中的设计尺寸参数的变化对仿真结果的影响,主要通过对贴片尺寸的调节、基片厚度的调整；L探针长度的调节,可以对贴片天线仿真模型的中心频率和驻波比进行调节,最终仿真设计出了带宽>30%的超宽带微带贴片天线,具有尺寸小、结构简单、超宽带的特征。
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