計算機論文：L形探針饋電的E形寬帶微帶天線仿真分析與設計

　　摘 要:隨著無線通信系統的廣泛應用，通信系統不斷向著更寬的頻段發展，為了改善微帶天線帶寬窄的缺點，設計了一款L形探針饋電的E形寬帶微帶天線。通過將矩形貼片設計為“E”形結構和運用L型探針耦合饋電代替傳統的微帶同軸饋電的方法，有效增加了微帶天線的阻抗帶寬。通過對E形縫隙長度和寬度，L形探針高度和長度參數進行優化，并根據優化結果設計的L形探針饋電的E形微帶天線，其-10dB阻抗帶寬可達33.3%，達到了展寬微帶天線帶寬的目的。

　　關鍵詞: E形微帶天線；L探針饋電；寬帶；無線通信系統

　　1 引言

　　微帶天線由于其剖面薄、體積小、重量輕、成本低、易于大批生產、易集成、具有多頻段多極化能力等優點被廣泛應用于無線通信系統中[1]。微帶天線的主要缺陷是帶寬窄，一般未采取擴頻措施時其帶寬僅有百分之幾。為了克服這個缺點，研究人員引入一些技術以增加帶寬。比如采用低介電常數的介質基板，輻射貼片的表面開槽[2-4]等方法。文獻[2]首次提出了使用E形微帶天線，作者指出這種結構不僅能夠保證天線設計的簡單性，同時可以獲得30％的帶寬。文獻[5-6]提出采用L形探針饋電的微帶天線。作者指出普通的探針饋電會引入電感，L形探針的引入將會引入電容效應，以抵消電感的影響，這也將增大天線的帶寬。

　　本文設計了一款L形探針饋電的E形微帶天線，并作了較全面的計算機仿真論文分析，著重研究了E形槽的長度、寬度和L形探針的高度、長度對天線回波損耗的影響，總結了相應的規律。

　　2 天線結構

　　本設計天線的結構如圖1所示，其主要是由E形輻射貼片、基板、L形探針構成。本設計中介質基板選用空氣基片，介電常數。空氣基板的厚度為。E形貼片的尺寸為，其中E形縫隙槽的長度為，E形縫隙槽的寬度為。E形縫隙槽的引入改變了傳統矩形貼片天線的電流分布，使其產生不同的電流路徑，從而構成兩個相臨近的諧振頻率，以實現天線寬頻帶的目的。L形探針的高度為，L形探針的長度為。L形探針的引入將會抵消探針直接饋電所引入的寄生電感，從而實現天線的寬頻帶特性。

　　圖1 L形探針饋電的E形微帶貼片天線結構圖

　　(a) 正視圖 (b) 側視圖 (c) 三維圖

　　3 天線參數研究

　　為了進一步研究天線的性能和天線的結構參數，用有限元仿真軟件HFSS對L 形探針饋電的E形微帶天線進行系統的仿真分析。為了得到最佳的帶寬特性，研究了如下參數對天線回波損耗的影響：縫隙槽的長度、縫隙槽的寬度、探針的高度、探針的論文發表長度。

　　3.1 縫隙槽長度對天線性能的影響

　　圖2顯示了縫隙槽長度變化時，的變化曲線。從圖中可以看出，增加時，諧振點的參數越小。這主要是由于增大時，表面電流路徑增加，因此諧振頻率處的越好。

　　圖2 縫隙槽長度變化時變化曲線

　　3.2 縫隙槽寬度對天線性能的影響

　　圖3 顯示了縫隙槽寬度對天線參數的影響，從圖中可以看出， 增加時，天線高頻段諧振點的參數變差。這是由于寬度的增加削弱了雙頻特性。而當減小時，其回波損耗特性越好。

　　圖3 縫隙槽寬度變化時變化曲線

　　3.3 探針高度對天線性能的影響

　　圖4給出了探針高度對天線參數的影響。從中可以看出取值較小時，其回波損耗特性較差，隨著取值的增加，其回波損耗特性越好。這主要是由于探針所引入的電容特性抵消了貼片上的電感效應。

　　圖4 探針高度變化時變化曲線

　　3.4 探針長度對天線性能的影響

　　圖5顯示了探針長度變化時的變化情況。可以看出，不同的取值，其參數的變化較大。取值過大或者過小時，其寬帶特性都較差。這主要也是由于探針所引入的電容效應減小所致。

　　圖5 探針長度變化時變化曲線

　　3.5 最優仿真結果

　　表1 根據上述參數分析確定了最優的參數。

　　表1 最優天線參數值 (單位：mm)

　　圖6 給出了最優參數所確定的變化曲圖。從圖中可以看出，其頻率范圍為1.88GHz到 2.63GHz，帶寬為33.3%。

　　圖6 曲線圖

　　4 結束語

　　利用L形探針饋電和E形開槽技術，改善了微帶天線頻帶窄的缺點。利用HFSS對該天線的開槽的長度，寬度以及探針的高度，長度進行分析，得出各個參數對天線回波損耗的影響，驗證了L形探針饋電的E形微帶天線寬頻帶特性的有效性。這對設計適用于無線通信系統中的天線有一定的參考價值。

　　參 考 文 獻

　　[1] W.L.Stutzman, G.A.Thiele, Antenna Theory and Design, 2nd [M],New York:Wiley,1998.

　　[2] Fan Yand, Xue-Xia Zhang, Xiaoning Ye,et al. Wide-Band E-Shaped Patch Antennas for Wireless Communicaitons[J], IEEE Trans. Antennas Propag., Vol.49, 2001,pp.1094-1100.

　　[3] 鄭娟. 適用于太赫茲通信系統的E形微帶天線設計[J]. 電子制作,2013,(14):15.

　　[4] 王抗美. 基于C波段的E形微帶天線的仿真計算[J]. 大學物理實驗,2011,24(01):77-78.

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　　[6] 葉劍鋒,國強,王玉峰. L形探針耦合饋電E形層疊微帶天線[J]. 哈爾濱理工大學學報，2013,18(04): 94-97.