新型双圆弧微带天线设计及基片介质影响

王鹏 王子元 芦浩 薛茜男

摘 要： 微带天线具有小体积、轻重量、低剖面、可共形、易极化、易生产和低成本等优点，在航空电子和移动互联中得到了广泛应用。微带天线基片是微带天线结构的重要组成部分，不同的基片介质有不同的相对介电常数，基片介质的选择对微带天线的信号传输影响很大。基于新型双圆弧微带结构，设计一种信号传输特性优、带宽较宽的新型微带天线，并对六种不同基片介质的新型微带天线模型进行仿真，通过对仿真数据的分析比较，得出FR?4谐振抑制深度最大、信号传输损耗最小、信号输出特性最佳。

关键词： 微带天线； 航空电子； 移动互联； 相对介电常数； HFSS； FR?4

中图分类号： TN826?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）17?0045?04

Abstract： The microstrip antenna has the advantages of small volume， light weight， low profile， tolerable shape pairing， easy polarization， easy production and low cost， and is widely used in avionics and mobile interconnection. The substrate of the microstrip antenna acts as an important part of its structure. Since the different substrate media have different relative permittivity， the selection of substrate medium has great influence on the signal transmission of microstrip antenna. On the basis of the new biarc microstrip structure， a new microstrip antenna with excellent signal transmission characteristic and wide bandwidth was designed， and the six new microstrip antenna models with different substrate media were simulated. The analysis and comparison results of simulation data show that the FR?4 taken as the substrate medium has the largest resonant suppression depth， minimum signal transmission loss， and best signal output characteristic.

Keywords： microstrip antenna； avionics； mobile interconnection； relative permittivity； HFSS； FR?4

0 引 言

在无线通信技术中，将来自发射端的导波能量转变为无线电波，或者将无线电波转换为导波能量，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线[1]。在航空、卫星及GPS系统等高端科技领域中，对天线的大小、质量、形状等要素必须严格控制[2]，所以传统的天线无法满足这些高端科技领域的要求。

20世纪50年代，G.A.Deschamps教授提出一种利用微带线辐射原理制成的天线，被称为微带天线[3]。因为当时没有较合适的微波介质材料[4]，所以微带天线并未得到很好的发展。直到20世纪70年代，新材料技术经过20年的研究有了很大的进展，科学家们找到了适合做微带天线基片的具有低损耗正切特性和良好热特性及机械特性的基片介质，使得微带天线有了突破性的进展[5]。如今，微带天线已经成为最具有发展前景的天线类型之一，因具有小体积、轻重量、低剖面、可共形、易极化、易生产和低成本等优点[6]，在航空电子和移动互联两个最具前途的产业中得到了广泛应用。

微带天线基片是微带天线结构的重要组成部分，基片介质的选择对微带天线的信号传输特性影响很大，传统的基片介质包括聚四氟乙烯、氰酸酯等[7]。不同的基片介质有不同的相对介电常数[8]和介质损耗角正切[9]。相对介电常数又叫电容率[10]，是表征电介质的最基本的参量，也是衡量电介质在电场下的极化行为或储存电荷能力[11]的参数，即表示电荷的存储能力；介质损耗角正切是指电介质在电场作用下产生的有功功率和无功功率的比值。不同形状的微带天线具有不同的信号传输特性，适合它们的基片介质也会有所不同。

本文基于新型双圆弧微带结构，利用Ansoft HFSS软件模型仿真，设计一种谐振抑制深度更低、谐振影响频率带宽更宽的新型双圆弧微带天线，与传统微带天线相比具有优异的信号传输特性。在双圆弧微带结构基础上，利用HFSS软件对六种不同基片介质的新型微带天线结构模型进行仿真，通过对仿真数据的分析比较，得出基片介质为FR?4时，新型双圆弧微带天线的谐振抑制深度最低、谐振影响频率带宽最宽、信号传输特性最佳。

1 新型双圆弧微带天线设计与数据分析

1.1 新型双圆弧微带天线设计

本文提出的新型双圆弧微带天线模型如图1所示。模型的设计尺寸如下，[r1=]2.8 mm，[r2=2] mm，[w1=w2=]0.4 mm，[w3=3] mm，[w4=8.2 ]mm， [s1=7.8] mm，[s2=10] mm，[a=21.8] mm，[b=12] mm，[h1=0.035] mm，[h2=0.6] mm。图2为传统的双F微带天线。

采用Ansoft HFSS电磁仿真软件对提出的新型双圆弧微带天线进行仿真建模。图3是新型双圆弧微带天线模型的三维视图。在新型双圆弧微带天线末端设置两个尺寸相同的集总端口port1和port2，port1和port2的长度、宽度分别为3 mm，0.6 mm。将集总端口port1设置为输入端口，左微带天线为输入端口微带天线，port2设置为输出端口，右微带天线为输出端口微带天线，采用50 Ω同轴激励进行研究。

1.2 仿真分析

选用相对介电常数为4.4的环氧树脂?玻璃（FR?4）作为新型双圆弧微带天线模型基片的介质，通过Ansoft HFSS电磁仿真分析，得出新型双圆弧微带天线的自反射系数曲线（[S11]曲线）。

双F微带天线是一种典型的微带天线结构，本文对新型双圆弧微带天线和双F微带天线的信号传输特性进行比较。如图4所示，双F微带天线[S11]曲线的谐振点数为2，谐振点坐标为（3.44，-1.68）和（5.44，-2.65），谐振抑制深度为-2.65 dB，谐振影响频率带宽为2 GHz；而新型双圆弧微带天线[S11]曲线的谐振点数为2，谐振点坐标为（3.04，-1.67）和（4.12，-2.64），谐振抑制深度为[-2.64] dB，谐振点影响频率带宽为1.08 GHz。与双F微带天线相比，新型双圆弧微带天线[S11]曲线的谐振抑制深度提高了0.01 dB，谐振影响频率带宽下降了0.92 GHz，由此可见，新型双圆弧微带天线的信号传输损耗明显小于传统的双F微带天线，具有更优异的信号传输特性。

2 新型双圆弧微带天线设计与数据分析

2.1 基片介质对高频信号特性的影响

在高频信号传输过程中，微带天线基片可能会因为基片介质选择问题产生极化、储存电荷和热能等严重影响高频信号传输因素[12]，因此，选择一种物理参数适合微带天线高频信号传输的基片介质是必须考虑的问题。影响高频信号传输的物理参数包括相对介电常数和介质损耗角正切，它们都会对微带天线信号传输特性产生一定的影响。

本文选择了六种典型的基片介质进行研究。六种典型介质的名称及对应的相对介电常数和介质损耗角正切如表1所示。

2.2 数据比较

采用Ansoft HFSS电磁仿真软件对六种不同基片介质的新型双圆弧微带天线模型进行仿真分析，得出六种模型的[S11]参数曲线，如图5所示。

从图5中可以看出，当基片介质为聚四氟乙烯时，[S11]参数曲线的谐振点数为3；当基片介质为水时，[S11]参数曲线的谐振点数为4；而当基片介质为其他四种介质时，[S11]参数曲线的谐振点数为2。由于[S11]参数曲线的谐振点数越多，微带天线的信号传输损耗越大，而且谐振点数对信号传输损耗特性的影响最大，所以排除介质聚四氟乙烯和水。

根据图5中的[S11]参数曲线，得出基片介质为空气时，[S11]参数曲线的谐振点坐标为（4.36，-5.42）和（5.52，-4.26）；基片介质为氰酸酯/玻璃时，[S11]参数曲线的谐振点坐标为（3.28，-1.19）和（4.4，-6.14）；基片介质为FR?4时，[S11]参数曲线的谐振点坐标为（3.04，-1.67）和（4.12，-2.64）；基片介质为陶瓷填充聚四氟乙烯时，[S11]参数曲线的谐振点坐标为（2.76，-2.97）和（3.84，-4.96）。根据四种基片介质模型[S11]曲线谐振点坐标，得出信号传输损耗特性如表2所示。

图6为四种基片介质新型双圆弧微带天线模型信号传输损耗特性折线图。从表2和图6可以看出，当基片介质为FR?4和陶瓷填充聚四氟乙烯时，谐振影响频率带宽最小，为1.08 GHz；当基片介质为FR?4时，谐振抑制深度最大，为-2.64 dB。综合考虑，当基片介质为FR?4时，新型双圆弧微带天线的信号传输损耗最小，信号输出特性最佳。

2.3 仿真电场分布图比较和验证

图7为六种不同基片介质微带天线的仿真电场分布图，从图中可以看出，当基片介质为水时，输入端口微带天线（左微带天线）和输出端口微带天线（右微带天线）的电场能量几乎为零，说明两条微带天线信号传输特性最差。

通过对其他五种基片介质微带天线的仿真电场分布图比较可以看出，当基片介质为FR?4时，输入端口微带天线和输出端口微带天线的电场分布最相似，说明两条微带天线信号传输特性最好。这进一步证明了当基片介质为FR?4时，新型双圆弧微带天线的信号传输损耗最小，信号输出特性最佳的结论。

3 结 语

本文提出一种新型双圆弧微带天线结构，通过Ansoft HFSS电磁仿真分析，得出新型双圆弧微带天线的谐振抑制深度为-2.64 dB，谐振点影响频率带宽为1.08 GHz。与双F微带天线相比，新型双圆弧微带天線的谐振抑制深度提高了0.01 dB，谐振影响频率带宽下降了0.92 GHz。由此可见，新型双圆弧微带天线的信号传输损耗明显小于传统的双F微带天线，信号传输特性明显优于传统的双F微带天线。本文进一步探究了基片介质对微带天线信号传输特性的影响，利用HFSS对六种不同基片介质的新型双圆弧微带天线模型进行仿真分析和数据比较，得出当基片介质为FR?4时，新型双圆弧微带天线的信号传输损耗最小，信号输出特性最佳。研究结果表明，选取介质为FR?4的新型双圆弧微带天线可获得较好的高频信号传输特性。

注：本文通讯作者为薛茜男。

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