双频超宽带微带天线设计与仿真_双频微带天线的仿真

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双频超宽带微带天线的设计与仿真

王瑞

(安徽大学

电子信息工程学院

安徽合肥

230601)

摘要

提出了一种基于圆形缝隙结构的双频超宽带微带天线。通过在圆形缝隙内加载椭圆形贴片使得天线在获得双频超宽带特性的同时又保持了很小的物理尺寸。仿真结果表明，该天线的-10dB阻抗带宽分别为2.1~4.0GHZ和5.2~8.8GHZ，天线的相对带宽分别达到了62.3%和51.4%，覆盖了无线局域网（WLAN）的2.45GHZ、5.20GHZ和5.80GHZ三个频段以及宽带互通微波接入（WiMAX）的2.50GHZ和5.25GHZ两个频段。在通带范围内，有良好的辐射特性，并且天线的尺寸为35mm*35mm*1mm，便于集成在电路系统中。关键词

双频 宽带 圆形缝隙结构 HFSS 中图分类号：N

随着无线通信技术的迅猛发展，原先用于信息通信的带宽已逐渐无法满足人们的需求，超宽带通信成为了人们研究的热点。近年来，许多文献都致力于超宽带天线的研究，所研究的天线形式多种多样[1-5]，但是，这些文献有着共同的不足，便是无法既做到超宽带又做到小型化和双频化，从而限制了他们的用途。

在某些雷达和通信系统中，如北斗、GPS等中经常需要天线在双频段工作来获得更多的功能，双频技术因此而生。微带天线以其重量轻、体积小、易加载的特性使其在这一领域的应用具有很大的优势。微带天线实现双频的方式主要有：短路针加载、缝隙加载、引入寄生单元等。由于缝隙加载可以在单层微带线上实现双频且宽带等特点，故被广泛采用。

文章基于参考文献[1]进行创新改进，通过在圆形缝隙中加载椭圆形贴片的方法使之同时具有双频和宽带的特性，加工简单，易于集成。天线设计

1.1天线模型构建

姓名：王瑞 性别：男 籍贯：皖 市区：合肥

邮箱：***@163.com 安徽大学在校大学生

1993-09-13出生

主要从事微波方向的研究

基金项目：安徽大学2012大学生科研训练计划项目（2012-067）

图1 天线结构示意图

天线结构如图1所示，边长为35mm的正方形贴片被印制在长方体FR4基片上，在贴片上有着一半径为R的圆形缝隙，而在圆形缝隙中有一块椭圆形状的贴片。介质基片的另一面印制着圆形微带馈电线，由宽度为1mm的微带馈电线顶端连接一个圆形调节段构成，圆形调节段的半径为r。利用文献[1]中的经验公式可以估算出天线-10dB阻抗带宽的低端频率。该公式为：

（1）

（2）

式中： 的单位为GHZ，R可等效为圆形缝隙的半径，且取L=2R，r=0.25*R(参

=2GHZ，考巴俾涅原理)。为了让设计的天线低端频率包含2.45GHZ，所以，暂定由此计算出R=16mm。天线的仿真与分析

影响天线阻抗带宽特性以及陷波的中心频率点的参数主要包括椭圆形贴片的大小、圆形调节段的半径大小、馈线的尺寸以及圆形缝隙的大小等。这里，使用三维电磁仿真软件HFSS进行仿真分析。

通过综合分析上述几个重要参数变化对天线S11频率特性的影响，经过一系列的优化对比，最后得到的天线尺寸为圆形调节段半径r=3.5mm,圆形缝隙半径为R=15.4mm，椭圆形贴片的长半轴a=7.2mm，椭圆的比率ra=1.2，馈线的尺寸仍为1mm不变。优化后仿真得到的天线性能参数S11及远区场辐射方向图如图2姓名：王瑞 性别：男 籍贯：皖 市区：合肥

邮箱：***@163.com 安徽大学在校大学生

1993-09-13出生

主要从事微波方向的研究

基金项目：安徽大学2012大学生科研训练计划项目（2012-067）

—图3所示。

图2

天线回波损耗的仿真结果

图2给出了天线回波损耗的仿真结果。通信系统中一般认为回波损耗在-10dB以下为可以接受的范围，并将其定义为阻抗带宽。仿真结果表明，天线的阻抗带宽共有两个，分别为2.10--4.00GHZ和5.20--8.80GHZ，对应的相对带宽分别达到了62.3%和51.4%，覆盖了IEEE规定的WLAN的2.45GHZ、5.20GHZ和5.80GHZ三个频段以及WiMAX的2.50GHZ和5.50GHZ两个频段。需要注明的是图2是在step frequency=0.2GHZ下得到的结果，当step frequency=0.1GHZ时，天线的相对带宽几乎不变，但中心频率处下陷更加明显。

图3（a）2.45GHZ下的E面方向图 图3（b）5.20GHZ下的E面方向图

姓名：王瑞 性别：男 籍贯：皖 市区：合肥

邮箱：***@163.com 安徽大学在校大学生

1993-09-13出生

主要从事微波方向的研究

基金项目：安徽大学2012大学生科研训练计划项目（2012-067）

图3（c）5.80GHZ下的E面方向图

图3分别给出了天线在2.45GHZ、5.20GHZ、5.80GHZ下的E平面方向图。从图中可以看出，天线的E面平面图形似数字8，上下辐射最大，中间辐射较小，上下对称。在5.20GHZ和5.80GHZ时方向图的顶端和底端有一定的凹陷，主要是因为频率的增加，椭圆形贴片发生二次模谐振，以及圆形调节段本身的辐射对平面的影响在高频时更加明显。虽然发生了凹陷，但平面图依然上下对称。结束语

本文提出了一种在圆形缝隙中加载椭圆形贴片结构的双频超宽带天线，并利用HFSS软件对主要参数进行仿真分析，仿真结果表明，该天线具备明显的双频和宽带效果，阻抗带宽分别达到了62.3%和51.4%，覆盖了WLAN的2.45GHZ、5.20GHZ和5.80GHZ三个频段以及WiMAX的2.50GHZ和5.50GHZ两个频段。同时，该天线贴片只有35mm*35mm,具有小型化，结构简单，成本低，易于集成的特性，具有良好的应用前景。

参考文献



黄斌，徐英欣.加载矩形贴片的圆形缝隙超宽带微带天线[J].现代雷达，2009,31（06）：67-69 Hertel T W.Cable-current effects of miniature UWB antennas[C].IEEE Antenna&Propagation Society Int Symp, [S.I]:IEEE Pre,2005 , 524-527 Liang J,Chiau CC,Chen X,Parini CG,etc.Study of a printed circular discmonopole 姓名：王瑞 性别：男 籍贯：皖 市区：合肥

邮箱：***@163.com 安徽大学在校大学生

1993-09-13出生

主要从事微波方向的研究

基金项目：安徽大学2012大学生科研训练计划项目（2012-067）

antenna for UWB systems[J].IEEE Trans AntennasPropag , 2005, 3500-3504.④Yang T,Davis W A.Planar half-disk antenna structures for ultra wided-band communications[C].IEEE Antennas and Propagation Society Intn Symp [S.J]:IEEE Pre,2004,Volume:3，1435-1438 ⑤Pengcheng L,Jianxin Liang,Xiaodong Chen,etc.Study of printed elliptical/circular slot antennas for ultra wide-band applications antennas and propagation[J].IEEE Transactions,2006,54(6):1670-1675.⑥ 赵波，李海洋，一种基于圆环缝隙结构的双频微带天线[J]，科学技术与工程，2012,12（16）：65-67 ⑦桂长德，韦高，石帅，等.一种小型WLAN双频天线的设计[J]，计算机仿真，2013,:30（02）：183-186

⑧牛凤文，RFID系统中小型化双频微带天线的研究[D]，安徽大学，2012, 26-32 ⑨张敏，张琦，景占荣，等.双频圆极化微带天线的优化设计方法研究与仿真[J]，计算机仿真，2013,Vol:11，190-193

⑩朱超，超宽带天线的设计及其陷波特性的研究[D]，西安电子科技大学，2013, 23-51

The Design and Simulation of Dual-band and Ultra-wideband Microstrip Antenna

WANG Rui

(AnHui University

230031)姓名：王瑞 性别：男 籍贯：皖 市区：合肥

邮箱：***@163.com 安徽大学在校大学生

1993-09-13出生

主要从事微波方向的研究

基金项目：安徽大学2012大学生科研训练计划项目（2012-067）

Abstract

A dual-band and ultra wide band(UWB)antenna based on circle-slot is proposed.By being loaded an oval paster,the antenna can get the characteristics of dual-band and UWB.Moreover,it maintain a small physical dimensions.From the simulate results,the-10dB impendance bandwidth of the antenna are(2.10-4.00)GHZ and(5.20-8.80)GHZ,and the relative bandwidths are 62.3% and 51.4%,especially,which can meet the requirement of WLAN and WiMAX(2.50GHZ and 5.25GHZ bands).In the paband, the antenna has good radiation speciality,moreover,the physical dimensions of the antenna are only 35mm*35mm*1mm,fit to integrate in the electrical system.Key Words

dual-band

UWB circle-slot

HFSS

姓名：王瑞 性别：男 籍贯：皖 市区：合肥

邮箱：***@163.com 安徽大学在校大学生

1993-09-13出生

主要从事微波方向的研究

基金项目：安徽大学2012大学生科研训练计划项目（2012-067）