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高增益的新型小型微带天线的设计

YANG Jun, ZHANG Wei

（江苏邮电计划设计院有限公司，JSPTPD，中国南京）

摘要：本文提出了一种高增益新的小型微带天线，对该天线的设计参数，谐振特性，辐射方向图和方向性进行了评估。给出了传统微带天线和新型微带天线之间的性能比较。结果表明，这种新型微带天线的增益达到10.908dB，后瓣为-13.442dB，谐振频率降低了820MHz。增强的增益使得所提出的天线适用于一些特殊的无线通信环境，特别是阵列应用。

关键词：微带天线;高增益;谐振频率;结构紧凑

1 简介

微带天线由Deschamps在1953年首次提出[1]。然而，实际的微带天线由Munson [2,3]和Howell [4]在1970年开发。微带天线具有许多独特和有吸引力的特性 - 外形低，重量轻，结构紧凑和适形，与固态设备易于制造和集成，导致了针对各种国防和商业应用的微带天线的设计。随着对个人和移动通信的日益增长的需求：对更小和低剖面天线的需求已经将微带天线带到了最前面[3-8]。然而，微带天线的应用类型与常规微波天线相比具有一些缺点，例如它们具有较窄的带宽（小于1％至5％），较低的增益（6〜8dB）和较低的功率处理能力[5] [9] [10]。因此，需要提高微带天线的性能。

大多数紧凑的微带天线设计由于其尺寸的减小而显示出降低的天线增益。为了克服这个缺点并获得增强的天线增益，已经证明了通过加载高介电常数介电顶板或使用放大器型有源电路的用于增益增强的紧凑微带天线的几种设计方法[11-15]。使用高介电常数上覆加载技术使得天线增益增加约10dBi，具有更小的辐射贴片[11]。放大器型有源微带天线作为具有增益和带宽的发射天线也已实现[15]。然而，这些设计中的天线增益不够，总是低于10.0dBi。

本文研究了一种新技术，可以增加微带天线的增益，而不增加天线尺寸和微带天线的复杂性，这种设计技术可能有利于处理不同的特定眼镜在红外激光器[16]。这种新型贴片天线的结构及其设计参数在第二部分中描述。天线的阻抗，辐射方向图和方向性通过第3节中的全波仿真Ansoft HFSS 10.0进行研究。最后，我们总结第2节中的结论。

2天线设计

新型微带天线如图1所示。它有五个辐射贴片，一个作为驱动辐射贴片，其他四个矩形环作为寄生贴片。

图1是新型微带天线的顶视图和侧视图

这个天线的尺寸由公式（1）到（4）计算，计算的细节可以在[10]中找到。这些计算结果可以作为模拟过程的起始参数。然而，为了获得天线的最佳配置，需要大量的迭代仿真。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中和是矩形辐射贴片的尺寸；是衬底的介电常数，并且是贴片的有效介电常数；是谐振频率，是衬底的厚度，并且是光速。

主辐射贴片用50欧姆-SMA连接器馈电。使用低介电常数衬底，即Rogers RT / Duriod 5880.如图1所示，挖掘凹槽以保持五个辐射贴片。接地平面的尺寸可以用作有限反射平面。所提出的天线的规格如表1所示。

(a) 长度; （b）宽度; 和（c）高度

(a)

(b)

(c)

表1天线设计参数（单位：mm）

3模拟结果和讨论

所提出的微带天线如图1所示，其优化尺寸列于第2节。为了检查该天线的性能，模拟结果使用Ansoft HFSS 10.0进行。
图2（a）表明，回波损耗小于10.0dB的新型微带天线的阻抗带宽为100MHz（2340〜2440MHz），传统微带天线的阻抗带宽为270MHz（3080〜3350MHz）如图2（b）所示。我们可以发现谐振频率降低了820 MHz。较低的谐振可以由辐射片和接地平面之间的长度引起，这减小了阻抗的电感。

（a）新型微带天线的回波损耗

（b）常规微带天线的回波损耗

图2天线的回波损耗

图3描绘了在其共振频率2.38GHz的新颖微带天线的E平面和H平面上的辐射图案。

图3新型微带天线的辐射图

如图3所示，观察到E平面辐射图案具有大约的波束宽度，而H平面具有大约略微更窄的波束宽度。我们可以发现，这个天线在2.38GHz谐振频率的增益达到10.908dB，其后瓣为-13.442dB，这表明该新型微带具有良好的辐射性能，这证明了这种设计的有效性。

4结语
本文提出一种新颖的微带天线设计，具有高增益和紧凑的性能，通过使用螺旋结构和低介电常数衬底。如上所述，该技术具有其优点，例如它降低了谐振频率，因此减小了天线的尺寸，并且天线具有优良的辐射图案。除此之外，背向辐射大幅度降低并且天线重量也有所降低。因此，这种天线可用于高增益阵列天线设计和一些特殊的国防应用。

参考文献

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用于头部植入的宽带超薄微分环路馈送贴片天线

Terence S. P. See, Xianming Qing, Wei Liu, Zhi Ning Chen

摘要：提出了一种用于头部植入的超薄差分贴片天线。通过矩形贴片和由差分微带线馈送的环路结构之间的邻近耦合，激励反相模式，这使孔耦合矩形贴片天线的带宽加倍。此外，定向辐射允许将最大能量导向接收器并降低比吸收率（SAR）。总尺寸为24times;10times;0.95mm³的天线原型具有4.1-4.5GHz的-10dB反射带宽，大于5dBi的方向性和在轴向处的增益高于-8dBi。在阻抗带宽上的SAR限制为1.6 W/kg时，允许最大发射功率为28

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