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折叠短路式小型化双层微带天线

发布时间:2013-11-16作者:admin浏览量:

摘要:微带天线在各种内置天线通讯系统中有非常重要的应用.为满足便携式设备小型化的需要,该文介绍一种折 叠式双层正方形微带贴片天线.此天线根据曲流原理,把常规的微带天线进行折叠.与常规微带天线相比,折叠式 微带天线的尺寸减小了 60%以上.折叠天线结构紧凑,便于加工制作.文中给出了天线的详细设计方案以及仿真 结果.仿真结果证明该设计完全可以满足工程要求.

关键词:微带天线;折叠;增益

引言

微带天线具有低轮廓、易共形、制作简单等特 点,因此在便携式通讯系统中得到了广泛的应用.但 由于天线的长度与工作波长成正比,当工作频率较 低时,微带天线的面积较大,因而极大的限制了微带 天线在便携式通讯系统中的使用.微带贴片天线小 型化,越来越受到人们的重视’成为天线研究的一个 重要方向.众多学者在小型化微带天线中做了大量 的研究工作卜,并提出了多种小型化天线的可行 性方案:如采用高介电常数基片、短路加载技术、开 槽开缝技术、曲流技术等.使用高介电常数材料虽然 可以有效的减小贴片尺度,但髙介电常数的介质通
常为陶瓷材料,一方面密度较大,不利于减小通讯系 统的重量,另一方面,也给天线与PCB板的一体化 设计带来了一定的困难.短路加载技术把开路谐振 转化为短路谐振[7]使得天线的长度得以降低.开槽 技术通过变直线为曲线来增加电流路径的长度,从 而使得微带天线小型化.可以说开槽技术是曲流技 术的实际应用.

基于增加电流路径的基本原理,本文设计了 一 种微带小天线。该设计用折叠法有效的增加了电流 路径的长度,在介电常数较低的印刷电路板(PC B 板)基片上成功的实现了微带天线的小型化,与传 统的微带天线相比该天线面积减小60% 。且具有重 量轻,结构简单,易制作等优点

如果假定辐射频率为1。 15GHz,基片的介电常 数为4。5,可以估算出微带的长度为61。0mm。如果 地板大小取微带大小的1。5倍计算,可以估算出在 频率为1。 15GHz时常规微带天线地板的长度大概 为 91 ‘ 4 mm。

可以设想把图1所示的微带天线进行折叠(如 图2所示),微带天线的面积将减少到原来的1/2。 实际上,由于微带天线常采用正方形结构,因此天线 面积减小远不止1/2。折叠后天线的辐射性能是我 们关心的主要问题,按照上述思想我们设计了折叠 式微带天线并进行了仿真验证。同,上表面(surface)与下表面(Ground)通过侧面 (Joint)连为一体,三个面形成一种半封闭结构。天 线为三层印刷板,板材选用Rogers TMM4作为介质 基片,相对介电常数~为4。 5。上下表面均为正方形 的敷铜面,中间为微带天线贴片(patch)。同轴馈电, 馈电探针与中间层相连。本设计中,上下两层基片介 质相同,厚度也相同\ =h2 = 2mm,总厚度4mm。当 然也可以选用厚度不同、材料不同的基片。中间贴片 。(patch)为正方形结构,尺度为28mm x 28mm,地板 的尺度为32mm x 32mm,上表面的大小与地板相 同。同轴线的外径为2。 3mm,探针半径为lirnn,特征 阻抗为5011。馈电点与贴片中心点的距离为y = -10。 53mm。


电磁仿真软件,在微波电路设计中有着非常广泛 的应用.下面各图给出了仿真结果.必须指出,仿真 设置为天线的地平面与吸收界面相重合,如果不做 如此设置,则天线为双向辐射,仿真增益会有所下 降.图4为天线的回波损耗.在发射中心频率点/ = 1. 155GHz,天线的回波损耗达28. 52dB.图5为天线 的驻波比随微波频率的变化,中心频率驻波比为 1.08,VSWR忘2的频带宽度为8MHz,相对带宽 0.7% .显然,天线频带较窄,Q值较高,不太适合对 频带要求较宽的场合•如何降低天线的Q值、拓宽 频带,尚需进行进一步研究.

图6和图7分别为折叠式天线2个不同平面的 方向图.由微带天线理论可知,当天线工作在主模 时,微带天线的辐射外电场方向与贴片所在的平面 平行,因此这里把与贴片平面平行的平面称为E 面.与普通微带天线的方向图类似,微带所在平面的 辐射图(E面0=90°)具有良好的全向性;H面(v
5 0 -12 0 5.0
图7微带天线H面方向图=90°)

Fig. 7 The radiation pattern of H plane
= 90°)方向图则呈现出前向辐射特性-天线增益 4.05dBi,3dB波束宽度达100°左右.由于仿真过程 中天线的地表面与背景的吸收界面重合,多次仿真 结果表明天线无旁瓣存在.