王 鹏， 李民权， 付 灿， 金秀梅

（1.安庆师范学院 物理与电气工程学院，安徽 安庆 246011；2.安徽大学 计算智能与信号处理教育部重点实验室，安徽 合肥 230039）

微带天线的概念最早是由德尚教授（G.A.Deschamps）提出的，由于其体积小、质量轻、剖面低、且易于加工和电路集成等诸多优点，在雷达和通信领域得到了广泛的应用。但是其固有的频带窄，功率容量低，限制了在诸多方面的应用［1］。近年来许多国内外学者针对如何扩展微带天线的带宽问题做了大量研究，也提出了许多行之有效的方法。具体可以归纳为以下几个方面［2］：① 对于微带天线的介质基板可采取增加基板厚度，使用低介电常数或损耗较大的材料，或将介质基片变形成梯形或楔形，还可以采用非线形材料如铁氧体介质；② 对于辐射贴片和接地板，可在其上开缝以降低天线Q值，或采用多层贴片谐振；③ 对于馈电方式，可选用耦合馈电方式，增加阻抗匹配网络等［3］。在一般情况下，可以根据天线的实际应用场合，灵活采用多种扩展天线带宽的方法，以达到满意的效果。

本设计采用口径耦合馈电方式以扩展天线带宽，该方法最早是由文献［4］提出的。与传统的馈电方式如同轴底馈和微带侧馈相比，缝隙耦合馈电方式具有许多优点：实现了微带天线低剖面、紧凑的天线结构，有利于电路的集成；由于馈电部分和辐射贴片不在一个平面上，可以有效抑制馈电结构对天线方向图的寄生辐射影响，合理设置耦合缝隙的结构能够提高天线的阻抗带宽。文献［5］利用实验的方法对不同形状的耦合缝隙进行了研究，实验结果表明开H型耦合槽可以获得较大的耦合量，提高天线的阻抗带宽，改善天线的交叉极化性能；文献［6］报道了一种使用H型槽耦合馈电的微带天线获得了宽频带和高增益的良好效果；文献［7］利用修改H型槽结构从而获得了良好的极化特性和宽频带特性。

在以上研究的基础上，本文改进了前述单H形槽耦合馈电的天线结构，在H型槽耦合馈电的基础上，于辐射贴片边缘处开缝。由于贴片边缘缝隙的存在而引入了新的谐振频率点，从而更大程度地展宽了天线的带宽。窄缝结构简单，容易实现。此外，在接地板背面引入微带反射板，可以减小由耦合槽引起的背向辐射，以提高天线的增益和改善天线方向图的前后比。仿真结果表明这种新结构的微带天线在中心频率14.5GHz能够达到39.8%的阻抗带宽（S11＜－10dB）。这表明该结构能够有效地展宽微带天线的带宽。

1 天线结构设计

图1所示为这种宽带微带天线结构，其由4层介质和金属贴片构成，如图1a所示，第2层介质是相对介电常数为1.06的泡沫塑料，起支撑作用，另外3层介质均是相对介电常数为2.2的Rogers RT／duroid 5880（tm）材料，即εr0＝εr2＝εr3＝2.2，εr1＝1.06。天线最上方的介质是天线罩，对天线的辐射贴片起保护作用，它对天线的辐射效率、方向图以及增益都略有影响。

图1a中的第2层和第3层是天线的主体部分。泡沫塑料对附着在其上方的辐射贴片起支撑作用，由于泡沫的相对介电常数较低，有利于展宽天线带宽，其厚度H1对天线的带宽也有影响，当H1增大时，天线带宽增加，但是天线的体积也会增加，因此需综合考虑。

辐射贴片如图1b所示，其长度L1决定着贴片自身的谐振频率，一般略小于λg／2（λg为谐振频率点对应的介质波长），但是由于耦合缝隙馈电的使用，使其与理论值存在一定的偏差。贴片的宽度W1取值较大时可以增加天线的带宽，但当W1大于一定值时会产生高次模，引起场的畸变，天线的方向图性能会恶化。有研究表明当贴片的宽度是长度的2倍时，天线的阻抗带宽可以增加1.6倍左右。本文在设计时选用了较宽尺寸的贴片以增加带宽。在贴片的2个宽边处分别开了矩形窄缝，缝隙靠近贴片的边缘处且很窄，不会对贴片的自身谐振频率产生影响。

图1 微带天线结构示意图

贴片表面开缝可以降低天线的Q值，有利于电磁波的辐射以增加带宽，而且窄缝自身也相当于一个缝隙辐射器，能够产生一个新的谐振频率点。该谐振频率点由缝隙的长度决定，当与贴片的谐振频率点靠得很近时，就可以起到展宽频带的作用。图1c所示是一个开有H型缝隙的接地板，H型缝隙是馈电使用的耦合口径，其结构尺寸对天线的谐振阻抗和谐振频率都有影响。文献［8－9］的研究表明，la、wb长度增长，谐振频率降低，谐振阻抗增加，这表明增长缝隙长度，馈线与贴片之间的能量耦合能力增强。H型槽缝隙的宽度lb、wa对天线的谐振频率和谐振电阻也有影响，只不过影响程度小于缝隙的长度。在设计过程中，通常为了减少后向辐射，H型耦合缝隙的宽度不宜取得过大。H型缝隙的结构尺寸参数较多，设计自由度较大，需进行大量的仿真优化以获得良好性能。

馈电部分使用50Ω的微带馈线，如图1c所示，可以通过调节开路枝节ls的长度来获得天线的阻抗匹配。馈线和接地板之间是一层介质基片，增大介质的介电常数可以提高电磁能量耦合效率。在天线的最下方放置了一个金属反射板，厚度H3通常为λg／4，这样做的好处是可以减小H型缝隙耦合馈电带来的后向辐射，改善天线方向图的前后比，提高天线的增益。

2 仿真及分析

在天线的设计过程中，使用高频仿真软件HFSS进行辅助设计。由以上分析可知，该天线结构参数较多，首先需要了解天线的每个参数对天线性能的可能影响，在有了定性的认识之后，在HFSS软件中进行仿真优化，经优化后天线的最终结构尺寸见表1所列。

表1 天线结构尺寸 mm

所设计天线的回波损耗仿真结果如图2所示，由图可知，该天线在11.66～17.45GHz频带范围内，回波损耗S11＜－10dB，相对阻抗带宽达到了39.8%，为普通微带天线带宽的8倍，优于仅使用H型缝隙耦合馈电的微带天线。这表明在辐射贴片表面开矩形缝隙并使用H型缝隙耦合馈电的结构可以有效展宽微带天线的带宽。

所设计天线在15GHz的方向图如图3所示，给出了天线的E面和H面方向图以及各自的交叉极化方向图。由图3可知，该天线的交叉极化性能良好，E面和H面的交叉极化分别优于－38dB和－28dB；天线E面和H面的方向图前后比大于19dB和26dB；天线增益大于8dB。可见在天线的底面附加一个金属反射板，可以有效抑制天线的后向辐射，改善天线的辐射效率，提高天线的增益。这些结果显示了该结构微带天线具有良好的辐射特性和电路特性，具有一定的实际应用价值。

图2 S11曲线

图3 天线E面、H面交叉极化方向图

3 结束语

本文提出了一种新型结构的宽频带微带天线，在辐射贴片边缘上开矩形缝隙，使用H型缝隙耦合馈电，在天线底面加金属反射板。利用高频仿真软件HFSS进行辅助设计，仿真结果显示该天线的阻抗相对带宽达39.8%，交叉极化电平小于－28dB，天线方向图前后比优于19dB，增益大于8dB。结果表明该结构天线具有良好的宽频谐振特性和辐射特性。

［1］ Waterhouse R.Small microstrip patch antenna［J］.Electronics Letters，1995，31（8）：604－605.

［2］ Lo T K，Ho C，Hwang Y，et al.Miniature aperture－coupled microstrip antenna of very high permittivity［J］.Electronics Letters，1997，33（1）：9－10.

［3］ Kim J P，Jeong I B，Kim C H.Network modeling of aperture－coupled vertically mounted slotline coupling structure［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2010，20（1）：10－12.

［4］ Pozar D M.A microstrip antenna aperture coupled to a microstrip line［J］.Electronics Letters，1985，21（1）：49－50.

［5］ Sari－kha K，Vivek V，Akkaraekthalin P.A broadband CPW－fed equilateral hexagonal slot antenna［C］／／Communications and Information Technologies，2006.ISCIT ’06，International Symposium on Digital Object Identifier，2006：783－786.

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［8］ Gao S C，Li L W.Wide－band microstrip antenna with an H－shaped coupling aperture ［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2002，51（1）：17－27.

［9］ 付 灿，李民权，金秀梅.应用于多模卫星定位导航系统的宽带天线设计［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2011，34（3）：391－394.