文章编号:1001-893X(2010)06-0071-04
宽带小型化U型贴片天线的设计Ξsmartthreads
陈凯亚，黄宗盛
(西南交通大学电磁所，成都610031)
摘 要：设计了一副中心频率为2G H z的四分之一波长U型贴片天线。采用U型槽加载减小了探针电感，使天线实现双谐振工作，通过将双频比调整到接近为1以展宽天线的工作频带，设计出的天线的带宽达49%(VSWR<2)。利用短路墙加载技术，使天线的尺寸在四分之一波长左右，减小了天线尺寸，天线的尺寸仅为2915mm×40mm×12mm。实际制作了该天线，测试结果与理论分析基本吻合，验证了设计的正确性。该天线结构简单，便于设计以及加工制作，同时方便集成于移动通信设备中。 关键词：移动通信设备；微带贴片天线;U型槽；短路墙加载
中图分类号:T N823 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2010.06.016
Design of a Q uarter2w ave U2Shaped P atch Antenna
CHEN Kai2ya,HUANG Zong2sheng
(Institute of E lectromagnetic,S outhwest Jiaotong University,Chengdu610031,China)
Abstract:A quarter2wave U2shaped patch antenna with center frequency at2G H z is designed.U2shaped and short2wall loading techniques are used to broaden the im pedance bandwidth and smaller the antenna size,re2 spectively.As a result of the introduced slot in the U2shaped patch,the large inductive reactance com ponent of the feed probe ass ociated with a thick substrate is found to be reduced,which makes the bandwidth be easily broadened.And the short-wall loading technique makes the antenna res onant at quarter2wavelength,which can reduce the size of the antenna to1/4of the ordinary rectangular patch antenna in theory.The im pedance band2 width of the antenna is49%(VSWR<2),and its size is29.5mm×40mm×12mm.The antenna is made and the test results are fully consistent with the theoretical analysis.The structure of the antenna is s o sim ple as to design and manu facture,and it is convenient to be integrated in m obile communication equipment.
K ey w ords:m obile communication equipment;microstrip patch antenna;U2shaped slot;sh ort2wall loading
1 引 言
与多数传统天线形式相比，微带贴片天线[1]具备体积小、重量轻、剖面薄、易集成、易共形、易于加工、造价低等优点，广泛应用于移动通信系统(G S M、C DMA)、直接广播系统(DBS)、全球定位系统(G PS)、遥感系统中。另一方面，随着3G时代的来临，通信设备不断向小型化、宽带化发展，对天线体积、集成化及带宽的要求也越来越高。但是，微带天线的带宽相对较窄，因而如何展宽带宽便成了微带天线研究的热点。
1995年,T.Huynh和K.F.Lee首次提出了U形贴片天线的概念[2]。该天线结构简单，通过在普通
第50卷第6期2010年6月
电讯技术
T elecommunication Engineering
V ol.50 N o.6
Jun.2010
Ξ收稿日期:2010-03-04；修回日期:2010-04-26
基金项目：西南交通大学科技发展基金资助项目
Found ation I tem:The Science and T echnology Development F oundation of S outhwest Jiaotong University
矩形贴片天线的贴片上开出U形槽即可得到。这种结构的微带天线由于贴片具有U形缝隙，缝隙边缘电流引入了附加谐振，同时，缝隙也引入了容抗，与探针的感抗相抵消，从而展宽了频带。相对于普通的矩形贴片天线而言，该天线在频带宽度上有很大提升，从普通矩形贴片天线的4%～8%提高到了47%，这将使贴片天线得到更广泛的应用。同时，该天线的几何尺寸也很小，高度仅为2.69cm。
在这之后,U形贴片天线得到了进一步的改进，以满足其在许多方面的应用。文献[3]将U形槽开在三角形的贴片上，得到了约18%的阻抗带宽(工作频率为1677MH z)，而没有开U形槽的三角形贴片天线的带宽只有10%。文献[4]提出的双U形槽矩形贴片天线同样可以获得44%的阻抗带宽。文献[5]中提出的U形贴片天线附着在介质板的下面，当VSWR<2时，可获得约33%的带宽。而文献[6]中提出了一种可用于无线局域网(W LAN)的U 形槽加载的双频贴片天线，可工作在无线局域网的2.4G H z和5.2G H z两个工作频段。文献[7]中提出的臂长不等的1/4波长U形贴片天线工作于双频，由于臂长不等可以使较低的工作频段获得双模式谐振而展宽带宽，在两个工作频段上均获得10%左右的工作带宽。
U形槽(U2slot)[2]加载己经成为展宽微带天线工作带宽的重要手段之一，而短路墙加载的方法可用来减小贴片天线的尺寸。本文利用U形槽和短路墙联合加载，在实现贴片天线宽带化的同时，兼顾了天线的小型化。
在文献[7]的基础上，设计了一副结构更加简单的四分之一波长U型贴片天线。该天线工作于单频，阻抗带宽可达49%。实际制作了该贴片天线，使用ROH DE&SCHW ARZ Z VB20矢量网络分析仪对天线进行了测试，测试结果与仿真结果基本吻合，验证了设计的正确性。
2 天线的结构
天线结构如图1所示。天线采用同轴探针馈电，同轴线的内导体与贴片相连而外导体则与接地面相连，基底为泡沫。加载的短路墙两端分别连接在金属贴片和接地面上，见图中颜较深部分
。
(a)
俯视图
(b)侧视图
图1 1/4波长U形贴片天线的结构
Fig.1The structure of quarter2wave U2shaped patch antenna
3 天线的设计与仿真
贴片天线由于其馈电探针所带来的感性电抗使得贴片天线的带宽很难超过10%，而U型槽加载的方式可以有效降低这种感性电抗使得天线的阻抗带宽得到展宽。同时,U型槽加载的方式保持了矩形贴片天线结构简单的优点，得到广泛应用。普通的贴片天线都在半波长谐振，天线的尺寸在半波长左右。而短路墙加载的方式使天线在四分之一波长谐振，可以有效减小贴片天线的尺寸，理论上可以减小到原来矩形贴片天线的1/4。本文设计的短路墙加载的U型贴片天线，通过U型槽加载使天线实现双频工作，将双频比调整得接近1以展宽天线的工作频带。同时，短路墙加载有效减小了贴片天线的尺寸。
首先根据矩形贴片天线的设计公式[8]，得到未开U型槽的四分之一矩形贴片的尺寸。四分之一波长矩形贴片天线的设计公式为
L=
c
4f r
ε刘若仪
r
光纤调整架+1
2
-1/2
(1)
W=
c
4f rεe
-Δl(2)
式中,L为贴片的长度,W为贴片的宽度,c为光速,f r为天线的中心频率,εr为介质的相对介电常数,εe为等效介电常数[8],Δl为贴片的延伸常数[8]。本文采用空气或泡沫作基底，因而εr≈εe≈1，得出天线的长度和宽度在35mm左右。然后利用Z e2
w leonline电讯技术 2010年
land IE3D 12.0对天线进行建模仿真，得出开了U 型
槽的贴片天线的谐振特性与各参数的关系。f 2、f 1分别为贴片天线的高低谐振频率。贴片的长度L 对f 1、f 2均有影响，且此影响呈反比规律，即当L 增大时f 1、f 2下降。贴片天线的高频谐振点f 2受U 形槽宽度W 3影响较大，且随着W 3增大f 2下降，而低频谐振点f 1基本不受其影响。U 形槽距离短路墙的距离a 将影响贴片天线的高频谐振点，且随着a 增大f 2
升高，而a 对f 1基本没有影响。文献[7]曾利用U 形贴片天线的两个U 形臂的不同宽度和长度
在天线的低频谐振点附近产生另外的谐振，使天线在低频谐振点工作于双模式以展宽带宽。由于不希望多余的谐振点产生，故本文中将两个U 形臂的宽度和长度均设为一样，即UW 1=UW 2,U L 1=U L 2。U 形槽的宽度UW 1、UW 2对f 2影响较大，且随着UW 1、UW 2增大,f 2增大，而f 1基本不变。天线的谐振频率f 1、f 2均不受U 形槽横向臂宽度b 的影响，或者说U 形槽横向臂宽度b 对f 1、f 2的影响很小。
通过前面的仿真分析，综合考虑各个参数对天线高低谐振频率的影响，天线参数设计如表1所示。
表1 天线参数取值
T able 1The parameters of the antenna
单位:mm
L
W
W 1
W 2
W 3
UW 1
U
L 1
UW 2
U
L 2
a
b
h
feed
29.54055 6.82219
21910.8 2.512 3.8
天线的S 11曲线仿真结果如图2所示。
图2 1/4波长U 形贴片天线的S 11曲线
Fig.2The S 11curve of the antenna
从图2中可以得出，此时天线的高低谐振频率已靠得较近，双频比接近于1，此时有效工作频段为1152～2.5G H z (S 11<-10dB )，天线的阻抗带宽大约为49%。从图中还可看出，天线工作频段上从1.59～2.32G H z 的部分VSWR <1.5，谐振特性很好。
4 天线的制作与测试
该天线结构简单，通过对一块薄铜片进行切割，即可制作出该天线。采用泡沫作支撑基底，利用同轴探针馈电。这样加工制造的精度较低，由于此时主要在于验证理论分析的正确性，因而是可取的。该天线加工出的实物图如图3所示。
天线实测到的S 11曲线如图4所示。其有效工作频段为115～215G H z (S 11<-10dB )，与计算机仿真分析的结果基本吻合，说明了理论分析的正确性。但由于加工精度的原因并未达到与仿真结果完全一致。
(a )俯视图
(b )侧视图
图3 实际制作出的天线Fig.3The picture of the antenna
图4 天线实测得到的S 11曲线Fig.4The S 11curve measured of the antenna
第6期 陈凯亚等：宽带小型化U 型贴片天线的设计总第259期
5 结束语
U型槽加载使天线具有双谐振频率，通过将天线的谐振频率调整得较为接近以展宽天线的工作频带，而短路墙加载可以大大减小天线的尺寸。本文即采用U型槽加载和短路墙加载技术，设计并制作了一副贴片天线。与文献[7]中的不等臂U型贴片天线相比，该天线结构简单，便于设计以及加工制作，同时方便集成于移动通信设备中。天线的尺寸为29.5mm×40mm×12mm，阻抗带宽为49%。该天线可应用于3G移动通信系统中对天线带宽和尺寸要求较高的场合。实际加工出的天线的测试结果与理论基本吻合，验证了理论设计的正确性，对于四分之一波长U型贴片天线的设计可以扩展到其它频段以适应不同的需求。当然，所设计天线的高度可通过采用高介电常数的基底进一步降低，将在后续工作中进行相关方面的研究。
箱包手把
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作者简介:
陈凯亚(1971-)，男，讲师,2008年于西南交通大学电磁所获博士学位，主要研究领域：微波电路、信号处理、机器学习;
CHE N K ai2ya was born in1971.He received the Ph.D.de2 gree from S outhwest Jiaotong University in2008.He is now a lectur2 er.His research interests include microwave circuit,signal process2 ing,and machine learning.
Email:cky-cy@s ohu
黄宗盛(1985-)，男，四川绵阳人,2008年于西南交通大学电子信息科学与技术专业获学士学位，现为西南交通大学硕士研究生，主要研究方向为射频电路、微带天线。
H UANG Z ong2sheng was born in M ianyang,S ichuan Province, in1985.He received the B.S.degree from S outhwest Jiaotong Uni2 versity in2008.He is now a graduate student.His research interests include RF circuit and patch antenna design.
Email:jeasen1985@163
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