一种新型双频微带天线的分析与设计

张申1赵志超2 刘淑芳1 史小卫1

（西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，西安710071）1

（西安电子科技大学电子工程学院电路CAD研究所，西安710071）2

摘要：本文设计了一种小型微带正方形贴片开槽天线，通过在贴片上开一对L槽实现双频功能并且达到了大于3的频比。文中给出了Ansoft HFSS11的仿真结果和实物的测试结果。仿真与测试结果表明，这种新型微带天线具有较好的双频特性和大频比特性，可以应用于无线通讯与卫星通信领域。

关键词：微带天线，圆极化，宽频带

Analysis and design of a novel dual-frequency microstrip antenna

ZHANG Shen1，LIU Shu-fang1，SHI Xiao-wei1，ZHAO Zhi-chao2（National Key Laboratory of Antennas and Microwave Technology，Xidian University，Xi’an 710071）1（Institute of electronic CAD，Xidian University，Xi’an 710071）2

Abstract：In this paper，A novel small microstrip antenna with a pair of L-shaped slots is proposed to achieve dual-frequency and can realize a significant frequency ratio（above3）. Simulation and experimental results are presented and it is demonstrated that this design is valid．The proposed antenna demonstrates useful features for wireless communication applications．

Keywords：Microstrip antenna; Dual-frequency; big frequency ratio;

1 引言

微带天线因其重量轻、体积小、易于集成等令人瞩目的特点在无线移动通信设计中得到了广泛的应用[1，2]。由于微带天线的诸多优点，微带天线在现代通信中得到了广泛的应用，特别是在微带天线的设计中，两个或多个频段的通信系统是无线通信发展的一个重要方向，因此双频（或多频）微带天线成为微带天线近年来的研究热点。通过在单一贴片上加载电抗性负载来获取双频是目前使用最为广泛的贴片天线双频技术。加载的电抗性负载包括以下一些类型：短截线、开设槽口、销钉和电容以及缝隙等[3，4]。当在贴片上加载

基金项目：国家自然科学基金（61072021）短截线或开设槽口来实现双频时，贴片尺寸将有所缩减。但是频率因子通常只能设计在不大于2的范围内，否则交叉极化将变大，方向图恶化。所以当需要大频比的天线时要用双层贴片[5]或者设计较为复杂的微带网络。本文设计了一种新型单层双频微带天线并得到了大于3的频比。

2 双频微带天线结构设计

通常缝隙加载可以降低天线的频率，减小天线的尺寸，实现天线的小型化。在贴片上开双缝可以引入天线的第二个频率，使天线良好的工作在双频段。如图1给出了该微带天线的结构。矩形贴片的尺寸为：长L宽W，介质层的介电常数

r

ε=4.6，高度h，馈电方式为同轴馈电，馈电点位于宽边中

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心轴线上。在贴片上开了两个同等大小的L 型槽，对此模型，我们采用软件Ansoft HFSS11 进行了仿真，根据经验公式并通过调整槽的大小与位置，经过优化后各参数为：

W=24mm ，L=31mm ，h=3mm ，L1=17mm ，W1=2mm ，L2=4.5mm ，S=18mm ，d=6.8mm

。

图1

微带天线仿真模型

图2 天线实物图

3 实现实例与测试结果

如图2为这种新型天线的实物图。图3为仿真与测量的反射系数对比曲线，从图中可以看出实测结果的略优于仿真结果，高频段略高于仿真结果，使得频比更大（达到8.7/2.7=3.2），两个结果基本吻合。实测结果显示在S 11<-10dB 时天线的低频带宽大于200MHz ，高频带宽大于550MHz ，实现了很好的宽带特性。图4-7所示为天线的辐射方向图，结果可以看出，在 2.7GHz 时天线主辐射方向最大增益为8.4dB 。在8.7GHz 时天线主辐射方向最大增益为10.5dB 。此天线得到了较好的双频特性。

接着我们研究缝隙长度L1对天线频率的影响规律，其余参数固定不变。缝隙长度L1的变化范围为18mm 到20mm 。图8给出了不同长度下对应的天线的反射系数曲线。

图3 反射系数曲线

图4 f=2.7GHz 时天线E 面辐射方向图

图5 f=2.7GHz 时天线H 面辐射方向图

图6 f=8.7GHz 时天线E 面辐射方向图

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图7 f=8.7GHz 时天线H 面辐射方向图

图8 不同缝隙长度对应的天线反射系数

由以上结果可以看出，改变缝隙长度L1可以改变第二个谐振点f2的大小，从而可以改变频比。

4 结论

本文提出了一种新型单层双频微带贴片天线，通过在贴片上开两个L 型槽实现双频大频比特性。文中给出了天线的仿真和实测结果，结果表明这种天线可以实现大于3的频比，并有较好的双频特性。最后研究了缝隙的长度对天线频率的影响规律，发现缝隙的长度对天线频率影响较大，通过改变缝隙长度可以调整频比大小。

参 考 文 献

[1] Antar Y M M ，Ittipiboon A I ，Bhattachatyya A K ，A dual-frequency antenna using a single patch and an inclined slot. 1995（06）. [2] Gao S C ，Li L W ，Yeo T S ，Leong M S ，Small dual-frequency microstrip antennas. 2002（01）. [3] Zhong S S ，Lo Y T ，Single element rectangular microstrip antenna for dual-frequency operation1983（08） [4] Wong K L ，Chen W S ，Compact microstrip antenna with dual-frequency operation. 1997（08）

[5] Mirshekar-Syankal D ，Hassani H R ，Characteristics of stacked rectangular and triangular patch antenna for dual band

application. 1993

[6] 陈斌，梁昌洪，大频差单馈双频双层微带天线研究[期刊论文]-空间电子技术.2008（01）

作者简介：

张申，女，硕士，主要研究领域为天线设计及双频微带阵研究；刘淑芳，女，硕士生导师，主要研究领域为微波器件设计技术和天线阵列设计技术。