一种高增益扇形微带贴片天线的设计

张睿涵，卢俊

（长春理工大学 理学院，长春 130022）

一种高增益扇形微带贴片天线的设计

张睿涵，卢俊

（长春理工大学 理学院，长春 130022）

贴片形状是影响微带贴片天线性能的主要因素，通过仿真设计了一种高增益扇形微带贴片天线。扇形微带贴片天线采用同轴馈电方式，通过有限元法对扇形微带贴片天线在不同参数下的性能进行对比研究。仿真结果表明：扇形微带贴片天线的谐振频率、回波损耗等性能参数符合设计要求，天线的回波损耗小于-10dB。通过对比扇形微带贴片天线在不同尺寸下得到的天线增益，可以得出结论扇形微带贴片天线最高增益为9.17dB，比普通微带贴片天线的增益高了约4dB。

扇形微带贴片天线；高增益；回波损耗

微带贴片天线的概念首先是由Deschamps于1953年提出来的，它是在一块厚度远小于工作波长的介质基板的一面敷以金属辐射片、一面全部敷以金属薄层作接地板而成［1］。辐射片可以根据不同的要求设计成各种形状。微带贴片天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点［2］，现今已经广泛应用于个人无线通信中。

微带贴片天线的辐射机理是在贴片与地板之间激励起高频电磁场，并通过贴片边沿与地板间的缝隙向空间辐射。辐射场是贴片边沿与地板间的边缘场产生的［3］。微带贴片天线的馈电方式有微带线侧馈、同轴线底馈、电磁耦合、口径耦合等［4］。微带贴片天线已大量用于100MHz～100GHz的宽广频域上［5］，包括卫星通信、雷达、遥测遥控、生物医学、便携式无线电设备等［6］。

1 扇形微带贴片天线的设计

本文设计的扇形微带贴片天线是在圆形微带贴片天线的基础上改进而得到的，微带贴片天线单元通过同轴探针从底部进行馈电［7］，贴片半径为a= 9.3mm，参考地边LD=32mm，介质基板边长LS= 24mm，高度h=5mm，馈电点距离中心坐标的初始距离feed=2mm。扇形微带贴片天线结构如图1所示。

图1 天线结构图

2 扇形微带贴片天线的仿真分析

（1）参数变化对回波损耗的影响

采用有限元法对所设计的天线进行仿真研究［8］，比较扇形尺寸变化时对回波损耗的影响。如图2所示。

通过图2（a）天线频率的S11参数扫描曲线，可以看出扇形微带贴片天线在不同频率时的回波损耗［9］，图2（a）中出现两个最低点：当中心频率 f0=12GHz时回波损耗为-13.98dB；当中心频率 f0=17GHz时回波损耗为-18.37dB，由此可以得出结论：扇形微带贴片天线工作的中心频率 f0=17GHz时其回波损耗最小，回波损耗小于-10dB。根据图2（b）可以观察到当半径a从3mm取到15mm时，与其对应的回波损耗；从图中可以清晰的看出4号线当a=9.3mm时，天线的回波损耗最小，其最小值为S11=-18.37dB。根据图2（c）中可以观察到1号线当a=9.3mm，feed=2mm时，扇形微带贴片天线的回波损耗最小。

（2）参数变化对天线增益的影响

扇形微带贴片天线的三维增益方向图［10］如图3所示。

图3 天线的三维增益方向图

从图3中可以看出，当半径a从3mm增大到9.3mm时，天线增益在6.97dB～9.17dB之间逐渐增大；当半径a从9.3mm增大到12mm时，天线增益在9.17dB～7.89dB之间，逐渐减小，所以尺寸的大小可以影响天线的增益。从图上看可知，当a=9.3mm时，增益效果最好，增益最大值为9.1747dB。

3 结论

本文设计了一种新型微带贴片天线，通过改变扇形结构参数达到提高增益的目的，经仿真证实，天线方向性较强，约有9.17dB的增益，在扇形微带贴片天线工作频率为17GHz时，其回波损耗为S11=-18.37dB＜-10dB。该微带贴片天线性能良好，研究结果可为微带贴片天线在无线通讯中提供参考和借鉴。

［1］钟顺时.微带天线理论与技术（第2版）［M］.北京：电子工业出版社，2015：264-314.

［2］约翰·克劳斯著.（章文勋译）.天线［M］.北京：电子工业出版社，2004：8-68.

［3］刘淼.一种新型全向微带贴片天线的设计［J］.无线电通讯技术，2015，41（4）：71-73.

［4］丁毅，王光明，苏文然.一种新型单层单贴片宽带圆形微带天线［J］.弹剪与制导学报，2007，27（5）：274-276.

［5］Phelan H R.Spiral phase reflectarray for multitarget radar［J］.Micro Wave Journal，1977，20（7）：67-73.

［6］陈健.单频圆形微带贴片天线设计［J］.现代电子技术，2015，38（1）：48-51.

［7]车仁信，广旗一兰，常宏铭.E型贴片微带天线性能分析［J］.大连交通大学学报，2009，30（6）：96-97.

［8]张钧，刘克诚，张贤峰，等.微带天线理论与工程［M］.北京：国防工业出版社，1988：1-60.

［9]Pradeep Kummar，Jose Luis Masa–Campos.Dual po⁃larized microstrip patch antennas for ultra–wide–band applications［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2014，56（9）：2174-2178.

［10]王瑶瑶，陈桂波，卢俊，等.一种高增益多频带微带贴片单元的设计［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2015，38（5）：123-126.

Design of a High Gain Fan-shaped Microstrip Patch Antenna

ZHANG Ruihan，LU Jun
（School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

A high gain fan-shaped microstrip patch antenn is designed by simulation with considering the main factor which the patch shape affect the performance of microstrip patch antenna.The coaxial feed way is adopted in fan-shaped microstrip patch an⁃tenna through the finite element method under different parameters in a fan-shaped microstrip patch antenna performance.The ex⁃perimental results show that the fan-shaped microstrip patch antenna，the resonant frequency return loss and other performance parameters all meet the design requirements and return loss is less than 10dB of antenna.By comparing the fan-shaped microstrip patch antenna under different size of antenna gain，it can be concluded that the maximum gain of the fan-shaped microstrip patch antenna is 9.17dB and taller than the conventional microstrip patch antenna gain about 4dB.

fan-shaped microstrip patch antenna；high gain；return loss

TN820.1

A

1672-9870（2017）02-0021-03

2016-12-12

张睿涵（1991-），女，硕士研究生，E-mail：178187851@qq.com

卢俊（1968-），男，博士，教授，E-mail：junlucc@126.com