寬頻帶E型微帶天線設計

2017-03-28 by:CAE仿真在線來源:互聯網

微帶天線具有體積小、重量輕、易饋電、易與載體共形等優點,廣泛直用于測量和通信各個領域。但是,微帶天線的窄頻帶特性在很多方面限制了它的廣泛應用,因此展寬微帶天線的帶寬具有十分重要的意義。

近年來,人們在展寬微帶天線的帶寬方面做了很多的研究:增大基板厚度,降低介電常數;采用電磁耦合多諧振來擴展帶寬的方式,采用縫隙耦合饋電的方式,采用多層結構。

本文在對上述各種展寬帶寬技術的比較研究之后,通過在U型微帶天線中間加一段傳輸線構成新型的E型微帶天線,實現了天線阻抗頻帶的展寬。利用HFSS模擬仿真以及實測結果表明,這種天線在工作于4.25~5.366 GHz時,其相對帶寬達到了23.2%,且采用了傳統的同軸饋電,結構簡單,易加工。

1 天線設計與分析

微帶天線的結構如圖1所示:

貼片的長為L,寬為W,饋電點位置為(P_x,P_y),U_l和U_w為U型天線尺寸,U型天線中間增加的微帶線的長度和寬度分別為E_l和E_w,微帶天線離地面的高度為H。當E_l為零時即為U型天線,E_l不為零時為E型天線。

天線采用傳統的同軸饋電方式。天線與地面之間采用空氣為介質,減少采用高介電常數介質帶來的損耗,同時呵達到增加頻帶寬度的目的。

從圖2、3可知,隨著E_l的增大,高頻諧振頻率點變小,在E_l=14.5 mm時候高頻諧振點獲得較好的匹配,當E_l繼續增大時候匹配變差。
隨著E_l的增大,高頻諧振頻率點變小曲線

由圖4可得,隨著E_w增大,低頻諧振點匹配變差,而高頻諧振點匹配變好。通過調節中間傳輸線的長度E_l和寬度E_w可獲得兩個匹配較好的諧振頻率點。

如圖4可得,隨著P_y的值增大,天線匹配越好,但是天線工作頻帶變小。通過調節P_y值,可獲得最佳的天線匹配和頻帶的展寬。
不同P_y的Sn曲線

2 仿真與實測結果分析

經過多次仿真優化后得出E型微帶天線的具體尺寸,表1為U型天線和E型天線的尺寸(單位:mm)。根據表中參量的值
U型天線和E型天線的尺寸

采用HFSS對本文所設計的微帶天線進行仿真,仿真結果如圖5~圖7所示。

圖5是U型微帶天線和E型微帶天線的回波損耗曲線圖。
U型微帶天線和E型微帶天線的回波損耗曲線圖

由圖可得,U型天線S11小于-10 dB的頻率從4.715~5.035 GHz,中心頻率為4.875GHz,頻帶寬度BW=0.32 GHz,相對帶寬為6.5%;E型天線S11小于-10 dB的頻率從4.25~5.364 GHz,中心頻率為4.807 GHz,頻帶寬度BW=1.114 GHz,相對帶寬為23.2%,相對于U型天線帶寬展寬3.5倍。因此,在U型天線中間加入傳輸線可以有效展寬帶寬。

圖6,圖7是E型天線在兩諧振點的E面和H面方向圖。

E型天線在兩諧振點的E面和H面方向圖

由圖可得,微帶天線的最大增益達到9 dB,較之傳統的微帶天線增益(5 dB)有較大的增加。

圖8為E型天線加工的實物圖。圖9為用AgikntE5071C網絡分析儀測試E型天線的S11曲線,實測S11小于-10 dB的頻帶為4.09~5.06GHz。
E型天線加工的實物圖

由于加工粗糙和饋電端口誤差導致對天線頻移和帶寬的減小,但和仿真的結果相近。

3 結語

針對做帶天線窄帶的特性,本文提出了一種有效展寬微帶天線頻帶的方法。通過在U型微帶天線中間加一段傳輸線,適當調整同軸饋電點和傳輸線的長寬,實現了寬頻帶高增益的E型微帶天線的設計。天線工作在4.25~5.366 GHz頻帶內,且增益達到了9 dB,相對帶寬達到23%,可運用于IEEE 802.1 1 a(5 GHz)頻段的無線局域網。本文給出了實測結果,并與仿真結果一致。

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