介电常数对矩形微带天线带宽的影响

周修宇;刘继荣

【摘要】运用MATLAB与HFSS,设计了3种相同厚度、相同谐振频率(3 GHz),不同材料的的矩形微带天线.通过仿真结果的S21图,可以看到对于不同材料的矩形微带天线,介电常数越小,带宽越大,增益值越大.这对工程设计和应用提供了重要支撑.

【期刊名称】《贵州科学》

【年(卷),期】2015(033)003

【总页数】4页(P11-14)

【关键词】矩形微带天线;介电常数;HFSS;MATLAB

【作者】周修宇;刘继荣

【作者单位】贵州师范大学智能信息处理研究所,贵阳550001;贵州省教育厅射频识别与传感网络工程中心,贵阳550001

【正文语种】中文

【中图分类】TN95

1 简介

随着现代集成技术的发展，微带天线凭借其剖面低、质量轻、易于封装等优点，已在诸如卫星通讯、移动通讯、多普勒雷达等很多领域的到广泛应用。但是，传统的微带天线往往有着带宽窄的缺陷，在设计过程中，最常见的解决办法是通过增加贴片厚度或者降低介质的介电常数来实现获取更大宽带，可以说，厚度高、低介电常数的微带天线具有更优越的性能。但在实际应用中，增加微带天线的厚度往往会使设计变大，不能体现微带线厚度薄的优势(K. V Rop et al. ，2012)。

因此，本文的研究就是介电常数对天线带宽的影响，并基于HFSS 仿真得到结果。

2 矩形微带天线

2.1 矩形微带天线的结构

矩形微带天线结构简单，由辐射贴片、介质层和参考地等3 层构成，如图1 所示(李明洋等，2011)。图中，最上方为贴片层，中间是介质层，底部为底层参考地。其中，L 代表贴片长度，W 代表贴片宽度，Leff表示天线有效辐射长度，△L 表示贴片实际长度与有效长度的差值。

图1 矩形微带天线模型Fig.1 Mode of rectangular microstrip antenna

2.2 矩形微带天线的辐射原理

分析如图(1)所示的矩形微带天线的性能，可采用传输线模型，即将辐射贴片、介质基片和接地板视为一段长度为λ/2 的低阻抗微带传输线，工作方式为TM10模，如图2 所示(张立东，2004)。

图2 天线辐射俯视图Fig.2 Vertical view of antenna’s radiation

这样，可将微带天线的边缘电场分解为两个分量，即垂直和平行参考地方向，两个边缘的垂直电场分量大小相等，方向相反;平行分量大小相等，方向形同。因此，贴片的远区辐射电场的垂直分量可相互抵消，仅有水平分量，如图3 所示(赵达，2009)。

图3 天线辐射侧视图Fig.3 Side view of antenna’s radiation

2.3 矩形微带天线的参数计算

决定天线谐振频率参数主要有贴片长度L，贴片宽度W，介质层厚度h，介质层介电常数εr 它们之间的关系如下(李明洋等，2011):

贴片宽度W 与谐振频率fr 关系:

其中V0 表示光速，fr 为谐振频率。

有效介电常数εreff的计算公式为:

其中，εr 为介电常数。

有效辐射长度Leff与fr 关系为:

贴片长度与其有效辐射长度之间有一段差值，称为辐射缝隙长度△L，公式为:

贴片长度L 则可采用下式为:

而带宽为:

2.4 矩形微带天线的馈电方式

另外，在设计贴片天线的时候要着重注意馈电方式的选择，一般来说主要有2 种馈电方式:微带线馈电，又称侧面馈电，简称侧馈;同轴探针馈电，也叫背馈。本文选择同轴探针馈电方式，它是将同轴插座安装在接地板上，另外，同轴线导体穿过介质基片一直到辐射贴片上，如图(4)所示。

图4 同轴馈电侧视图Fig.4 Side view of coaxial feeder

馈电点坐标为(xf，yf)，位置如图5 示。xf 与yf 计算公式如下:

图5 同轴馈电点位置Fig.5 The position of the coaxial feed point

其中，xf，yf 分别是在贴片长L 和宽W 上的馈电点坐标值。

3 仿真

3.1 矩形微带天线天线参数计算

根据前面分析，考虑到3 种介质分别为:Alumina-92pct、FR4_epoxy、Duroid 5880，介电常数分别为9.2、4.4、2.2。可得到谐振频率fr 与长度L、宽度W、馈电点横坐标xf 变化关系如图6、7、8 所示。

图6 贴片长度与谐振频率关系Fig.6 Patch width vs resonant frequency

图7 贴片宽度与谐振频率关系Fig.7 Patch length vs resonant frequency

图8 馈电点与谐振频率关系Fig.8 Feed pointvs resonant frequency

这样，选取谐振频率为3 GHz，可得到3 种不同介质天线的参数表如下:

表1 天线设计表Tab.1 Design table of microstrip antennas参数电介质材料Alumina_92pct FR4_epoxy Duroid 5880谐振频率(GHz) 3 3 3材料介电常数r 9.2 4.4 2.2贴片厚度H(mm) 1.5 1.5 1.5贴片长度L(mm) 16.2 23.5 32.9贴片宽度W(mm) 22.1 30.4 39.5馈电点坐标X(mm)2.8 5.8 11.4

3.2 矩形微带天线的仿真与分析

根据表1，运用HFSS 可得到仿真模型如图9 所示。再由仿真结果可得到3 种天线的S21 参数如图10 所示。

图9 HFSS 中微带天线模型Fig.9 The model of microstrip antenna in HFSS

图10 3 种天线的频率-增益(S21)图Fig.10 The frequency-gain diagram(S21)of three kinds of antenna

由图10 可知，对于3 种不同材料的矩形微带天线，增益方面，介电常数为2.2 的Duroid 5880 材料的天线增益值最大，为8.36 db，其次为介电常数为4.4 的FR4_epoxy 材料，增益为4.69 db，介电常数为9.2 的Alumina -92pct 增益值最小，为4.25 db，即随着介电常数的减小，增益值逐渐变大，说明天线的损耗逐渐减小;在带宽方面，随着介电常数的减小，带宽亦随之增大，介电常数由2.2 到4.4 再到9.2，－3 db 处带宽依次为1.41 GHz，1.34 GHz 和1.22 GHz，说明了低介电常数材料的天线带宽更大。

4 结论

本文的主要运用电磁仿真软件HFSS，设计了谐振频率相同、厚度相同、材料不同的3 种矩

形微带天线，研究介电常数对矩形微带天线带宽的影响。仿真结果表明，采用低介电常数材料的矩形微带天线，其带宽更大，增益更大。

［REFERENCES］

K.V Rop，D.B.O.Konditiet，2012.Performance analysis of a rectangular microstrip patch antenna on different substrates［J］.Innovative Systems Design and Engineering，3(8):7-15.

Li MY，Liu M，Yang F，2011.HFSS Antenna Design［M］. Beijing:Publishing House of Electronics Industry:125-152(in Chinese).

Zhang LD，2004.The application of MATLAB language in anten na design［J］.Guidance and Fuze，1(5):34-37(in Chinese).

Zhao D，2009.The performance research and making of micr-ostrip antenna based on 3D orthogonal woven ptfe matrix composites conformal loadbearing［J］.Journal of Donghua University，105(10):5-93(in Chinese).

［附中文参考文献］

李明洋，刘敏，杨放，2011.HFSS 天线设计［M］. 北京:电子工业出版社，125-152.

张立东，2004.MATLAB 语言在天线设计中的应用［J］. 制导与引信，1(5):34-37.

赵达，2009. 基于三维正交机织聚四氟乙烯基复合材料的共形承载微带天线的制作和性能研究［J］. 东华大学学报，105(10):5-93.

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