一种小型宽频带缝隙天线的设计
王代华 韩峰
关键词： 缝隙天线; 宽频带; Ansoft HFSS; 模型仿真; 结构优化; 无线通信
中图分类号： TN822+.8?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号： 1004?373X（2019）03?0031?04
Abstract： A novel compact minitype broadband microstrip antenna working in 10 GHz broadband is designed， which takes FR4 with the size of 24 mm×23 mm×1.6 mm as its substrate. A slot composed of regular hexagon and symmetrical cross type patches is designed in the center location of substrate ground plane to enlarge the working bandwidth. The microstrip line is located in the opposite side of the substrate. The electromagnetic simulation software Ansoft HFSS is used to perform the model simulation and structure optimization for the antenna. The antenna was processed and tested. The results show that the working bandwidth of the antenna covers the range of 3.6～13.6 GHz， the impedance bandwidth can reach up to 116%， and the antenna has perfect radiation characteristic in the frequency band. The reflection loss curves and radiation pattern are given. The test results are basically the same with simulation results. The design provides a certain reference for the study on broadband wireless communication.
Keywords： slot antenna; broadband; Ansoft HFSS; model simulation; structure optimization; wireless communication0 ?引 ?言
小型縫隙天线在雷达、遥测与移动通信等领域扮演着重要角色。微带缝隙天线具有体积小、剖面低、重量轻、成本低、加工容易、易于集成和实现宽带和多频等众多优点。同时结合通信系统小型化、轻型化的发展趋势和需求，微带缝隙天线在移动通信领域有着极大的社会需求，良好的市场前景和应用前景[1?3]。根据对超宽带频段中电流的分布分析可知，电流在低频段时分布在单极天线边缘的垂直平面上，在高频段时分布在平行面上[4]，这表明可以在贴片天线上开槽来提高天线带宽。此外，在天线接地面开导体槽对于实现天线宽频带特性有着重要作用，因为它可以在不改变天线大小的情况下调整接地面和寄生贴片之间的耦合电容，进而改善其阻抗带宽[5]。
文献[6]提出一种带宽为3.12 GHz，大小为37 mm×37 mm的缝隙天线，通过在基底接地面开一个正方形缝隙，在缝隙中间加载一个形状相似的导体贴片来增加带宽。文献[7]设计一种带宽为8 GHz，接地面是C型槽和L型相结合的缝隙与T字型寄生贴片组成的小型化缝隙天线。文献[8]设计一种频率可重构缝隙天线，在基片一侧刻蚀出非对称十字形和矩形结合的贴片，反面是一个相似的非对称十字形导体贴片。该天线带宽为8.2 GHz。文献[9]提出一种超宽带缝隙天线，该天线由嵌入在T形枝节上的缝隙和地板上的缝隙构成一个两阶滤波器来实现其选择性和宽频的特性。文献[10]采用在辐射贴片开H型槽和开C型槽的方法实现在WiMAX频段和WLAN频段带阻抑制特性的平面超宽带天线。
目前主要是在频带上对六边形缝隙天线进行研究，如实现多频或者拓宽频带[9?10]天线。本文设计一种在正六边形缝隙环中加载一个对称的十字形贴片缝隙天线，谐波与杂散波的抑制能力增强，在3.6～13.6 GHz频段内回波损耗均低于-10 dB，带宽达到了10 GHz。该天线结构简单紧凑，尺寸微型化（25 mm×25 mm），有较稳定的辐射特性，可用于飞行器与地面的数据通信，可作为便携式卫星接收信号终端的天线，能有效扩展使用频段，在厘米波探测及通信领域有广泛的使用价值。1 ?天线结构的设计与分析
设计的缝隙天线结构如图1所示，以介电常数为4.4，正切损耗为0.02的环氧树脂（FR4）为基板，其长为[W1]，宽为[W2]，在基板接地金属面的中心是一个正六边形的缝隙。一方面通过该缝隙辐射贴片和接地面之间进行电磁耦合，不断改变缝隙的结构和馈电结构来改变其耦合电容的大小，从而使天线在很宽的频段内阻抗都能相匹配。另一方面，微带线给六边形缝隙进行馈电，产生多个谐振点，这些谐振频率相重合，当达到天线的最高和最低谐振频率时可以有效增加带宽。正六边形的边长为[s]，顶点距离中心位置为[n]，在缝隙的中心是一个对称交叉的十字型贴片，其尺寸如图1中的[a]和[b]。在介质板的另一侧采用特征阻抗为50 Ω的微带线馈电，如图1b）所示，其宽度为[e]，高度为[g]。
2 ?天線的仿真优化分析
该天线采用商业软件Ansoft HFSS软件对所有参数进行详细优化设计。首先讨论改变缝隙的大小对带宽的影响，而缝隙的大小受对称十字交叉型贴片的结构参数[a]和[b]以及正六边形的结构参数[n]的影响。先分别设定[a]的变化范围为0.7～2.7 mm，[b]的范围为2.6～4.6 mm，对参量[a]和[b]进行参数扫描分析，研究十字交叉型贴片对天线带宽的影响，仿真结果如图2所示。
由图2a）可知，随着[a]的增大，天线的带宽在增大。当[a=]2.7 mm时，在频率为5.2 GHz处，回波损耗为-8.82 dB，大于-10 dB，不符合天线的工作要求，当[a=]1.7 mm时，天线带宽达到最大为10.1 GHz（3.6～13.7 GHz）。由图2b）可知，随着[b]的增大，增强了寄生贴片与接地面之间的耦合，从而增加了它们之间的等效电容，导致频带内低端谐振频率降低，当[b=]3.6 mm时，天线带宽达到最大为9.93 GHz（3.62～13.55 GHz）。图3a）为改变六边形大小对带宽的影响，通过改变[n]的值来调整缝隙区域的面积，此时[a=]1.7 mm，[b=]3.6 mm。从图中可见，随着[n]的增大，低端谐振频率降低，由于当[n=]9.4 mm和[n=]11.4 mm时中间均有部分频率的回波损耗大于-10 dB，不满足天线工作要求，故当[n=]10.4 mm时，带宽为9.9 GHz（3.67～13.58 GHz）。
图3b）为回波损耗随[g]变化对带宽影响的曲线，通过改变微带馈线的高度[g]可以改变微带馈线和辐射贴片之间的耦合缝隙大小，[g]的变化范围为9.6～11.6 mm，其他参量保持不变。由图可知，随着微带馈线长度的增加，低端谐振频率也增大，这是由于寄生贴片与微带馈线之间的等效电容在减小，当[g=]10.6 mm时，带宽达到了10 GHz（3.66～13.65 GHz）。
通过HFSS进行模型优化确定最优尺寸后，选择分别在4 GHz，8 GHz和12 GHz三个频点处进行了E面（[Z?X]平面）和H面（[Z?Y]平面）的辐射方向图的仿真，如图4所示。
由图4可知，该天线随着频率的增加从4～8 GHz H面辐射方向图显示出近全向辐射特性，频率增大到12 GHz时，H面辐射特性变化不大，所以H面在工作频带范围内具有稳定，全向辐射特性。而E面呈双向性，在4 GHz时，天线辐射特性较好，在8 GHz时，方向图稍有变形，但其辐射特性也很好，当频率达到12 GHz时，高次谐波使E面出现了副瓣。天线电流分布图与实物图如图5所示。从电流分布图可知，在馈电口电流较大，即馈电口对天线的影响较大，要想使天线性能更佳，可以对其进行更进一步的优化。
图5b）为天线实物图，通过采用Ansoft HFSS软件对天线若干参量的优化分析，得出的最优尺寸为[a=]1.7 mm，[b=]3.6 mm，[e=]1.6 mm，[g=]10.6 mm，[n=]10.4 mm，[W1=W2=]25 mm。根据该尺寸加工出天线实物。3 ?结果与讨论
对实物使用安捷伦N5224A矢量网络分析仪对天线的回波损耗进行测试，图6为回波损耗仿真与测试结果。
从图6可知，该天线测试的带宽和仿真的带宽相差不大，但是也存在一定的误差，且在不同谐振点处回波损耗[S11]的实测值与高频电磁仿真软件HFSS 的模拟结果存在一定的误差。这是因为天线在加工过程中制造精度存在一定的误差，寄生贴片几何尺寸的微小变化可能会对结果产生较大的变化。也可能是天线辐射贴片的金属铜产生氧化作用，形成氧化铜，从而对辐射性能也会产生一定程度的影响。另外，天线的焊接处接触不良也会引起一定的损耗，在测试过程中，测试接口、测量环境以及外界的杂波都会引入一定的损耗，都会使测试结果产生一些不可避免的误差。在微波暗室中，墙壁吸波不完全，同时也不能完全隔离外界杂波。在测试时发现，当天线的位置有微小变动时，测试结果会发生很大变化;当用两个不同的分析仪器测量时会发现结果也会很不一样。4 ?结 ?论
本文设计一种缝隙由正六边形和对称十字形组成的小型化宽频带天线。通过调整缝隙的大小以及缝隙与馈电线的耦合实现宽频带，使用HFSS软件仿真优化得出最优尺寸，使天线结构与缝隙的各项参数更为合理，使用矢量网络分析仪对天线实物的回波损耗进行测试。测试结果表明，该天线的阻抗带宽（VSWR<2）为10 GHz（3.6～13.6 GHz），有效改善了一般小型缝隙天线频带窄的缺点，在E面和H面均具有良好的辐射特性。该天线结构紧凑，尺寸较小，提高了阻抗带宽，易于加工，使用一般PCD加工方式，方便集成且易于与各种设备或电路集成，成本低，便于大批量生产，符合无线通信系统的应用需求以及宽带无线局域网（WLAN）的应用需求，是一种有着较好性能且具有一定实用价值的天线。
注：本文通讯作者为王代华。
参考文献
[1] 蔡得水.微带缝隙天线的研究与设计[D].西安：西安电子科技大学，2012.
CAI Deshui. Research and design of microstrip slop antenna [D]. Xian： Xidian University， 2012.
[2] QIAN K， TANG X. Compact LTCC dual?band circularly pola?rized perturbed hexagonal microstrip antenna [J]. IEEE antennas & wireless propagation letters， 2011， 10（9）： 1212?1215.
[3] SIDANA Y， CHAUDHARY R K， SRIVASTAVA K V. A novel dual?band hexagonal patch antenna coupled with complementary split ring resonator [C]// Proceedings of 2012 Asia Pacific Microwave Conference. Kaohsiung： IEEE， 2012： 1343? 1345.
[4] JUNG J. A compact broadband antenna with an L?shaped notch [J]. IEICE transactions on communications， 2006， 89（6）： 1968?1971.
[5] PAN C Y， HORNG T S， CHEN W S， et al. Dual wideband printed monopole antenna for WLAN/WiMAX applications [J]. IEEE antennas & wireless propagation letters， 2007， 6（11）： 149?151.
[6] SUNG Y. Bandwidth enhancement of a microstrip line?fed printed wide?slot antenna with a parasitic center patch [J]. IEEE transactions on antennas & propagation， 2012， 60（4）： 1712?1716.
[7] XU J， SHEN D， ZHENG J， et al. A novel miniaturized UWB antenna with four band?notches [J]. Microwave & optical technology letters， 2013， 55（6）： 1202?1206.
[8] KUMAR S， KANAUJIA B K， DWARI S， et al. Analysis and design of switchable rectangular monopole antenna using asymmetric cross slot for wireless communication [J]. Wireless personal communications， 2016， 89（1）： 119?133.
[9] 张涌萍，杨汝.具有优越陷波选择性和带宽的超宽带缝隙天线[J].现代电子技术，2014，37（15）：86?88.
ZHANG Yongping， YANG Ru. UWB slot antenna with superior band?notched selectivity [J]. Modern electronics technique， 2014， 37（15）： 86?88.
[10] 郭世宇，华伟，崔琳.具有多阻带特性的超宽带天线研究与设计[J].现代电子技术，2015，38（9）：68?69.
GUO Shiyu， HUA Wei， CUI Lin. Research and design of UWB antenna with multiple band?notched characteristic [J]. Modern electronics technique， 2015， 38（9）： 68?69.
关键词： 缝隙天线; 宽频带; Ansoft HFSS; 模型仿真; 结构优化; 无线通信
中图分类号： TN822+.8?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号： 1004?373X（2019）03?0031?04
Abstract： A novel compact minitype broadband microstrip antenna working in 10 GHz broadband is designed， which takes FR4 with the size of 24 mm×23 mm×1.6 mm as its substrate. A slot composed of regular hexagon and symmetrical cross type patches is designed in the center location of substrate ground plane to enlarge the working bandwidth. The microstrip line is located in the opposite side of the substrate. The electromagnetic simulation software Ansoft HFSS is used to perform the model simulation and structure optimization for the antenna. The antenna was processed and tested. The results show that the working bandwidth of the antenna covers the range of 3.6～13.6 GHz， the impedance bandwidth can reach up to 116%， and the antenna has perfect radiation characteristic in the frequency band. The reflection loss curves and radiation pattern are given. The test results are basically the same with simulation results. The design provides a certain reference for the study on broadband wireless communication.
Keywords： slot antenna; broadband; Ansoft HFSS; model simulation; structure optimization; wireless communication0 ?引 ?言
小型縫隙天线在雷达、遥测与移动通信等领域扮演着重要角色。微带缝隙天线具有体积小、剖面低、重量轻、成本低、加工容易、易于集成和实现宽带和多频等众多优点。同时结合通信系统小型化、轻型化的发展趋势和需求，微带缝隙天线在移动通信领域有着极大的社会需求，良好的市场前景和应用前景[1?3]。根据对超宽带频段中电流的分布分析可知，电流在低频段时分布在单极天线边缘的垂直平面上，在高频段时分布在平行面上[4]，这表明可以在贴片天线上开槽来提高天线带宽。此外，在天线接地面开导体槽对于实现天线宽频带特性有着重要作用，因为它可以在不改变天线大小的情况下调整接地面和寄生贴片之间的耦合电容，进而改善其阻抗带宽[5]。
文献[6]提出一种带宽为3.12 GHz，大小为37 mm×37 mm的缝隙天线，通过在基底接地面开一个正方形缝隙，在缝隙中间加载一个形状相似的导体贴片来增加带宽。文献[7]设计一种带宽为8 GHz，接地面是C型槽和L型相结合的缝隙与T字型寄生贴片组成的小型化缝隙天线。文献[8]设计一种频率可重构缝隙天线，在基片一侧刻蚀出非对称十字形和矩形结合的贴片，反面是一个相似的非对称十字形导体贴片。该天线带宽为8.2 GHz。文献[9]提出一种超宽带缝隙天线，该天线由嵌入在T形枝节上的缝隙和地板上的缝隙构成一个两阶滤波器来实现其选择性和宽频的特性。文献[10]采用在辐射贴片开H型槽和开C型槽的方法实现在WiMAX频段和WLAN频段带阻抑制特性的平面超宽带天线。
目前主要是在频带上对六边形缝隙天线进行研究，如实现多频或者拓宽频带[9?10]天线。本文设计一种在正六边形缝隙环中加载一个对称的十字形贴片缝隙天线，谐波与杂散波的抑制能力增强，在3.6～13.6 GHz频段内回波损耗均低于-10 dB，带宽达到了10 GHz。该天线结构简单紧凑，尺寸微型化（25 mm×25 mm），有较稳定的辐射特性，可用于飞行器与地面的数据通信，可作为便携式卫星接收信号终端的天线，能有效扩展使用频段，在厘米波探测及通信领域有广泛的使用价值。1 ?天线结构的设计与分析
设计的缝隙天线结构如图1所示，以介电常数为4.4，正切损耗为0.02的环氧树脂（FR4）为基板，其长为[W1]，宽为[W2]，在基板接地金属面的中心是一个正六边形的缝隙。一方面通过该缝隙辐射贴片和接地面之间进行电磁耦合，不断改变缝隙的结构和馈电结构来改变其耦合电容的大小，从而使天线在很宽的频段内阻抗都能相匹配。另一方面，微带线给六边形缝隙进行馈电，产生多个谐振点，这些谐振频率相重合，当达到天线的最高和最低谐振频率时可以有效增加带宽。正六边形的边长为[s]，顶点距离中心位置为[n]，在缝隙的中心是一个对称交叉的十字型贴片，其尺寸如图1中的[a]和[b]。在介质板的另一侧采用特征阻抗为50 Ω的微带线馈电，如图1b）所示，其宽度为[e]，高度为[g]。
2 ?天線的仿真优化分析
该天线采用商业软件Ansoft HFSS软件对所有参数进行详细优化设计。首先讨论改变缝隙的大小对带宽的影响，而缝隙的大小受对称十字交叉型贴片的结构参数[a]和[b]以及正六边形的结构参数[n]的影响。先分别设定[a]的变化范围为0.7～2.7 mm，[b]的范围为2.6～4.6 mm，对参量[a]和[b]进行参数扫描分析，研究十字交叉型贴片对天线带宽的影响，仿真结果如图2所示。
由图2a）可知，随着[a]的增大，天线的带宽在增大。当[a=]2.7 mm时，在频率为5.2 GHz处，回波损耗为-8.82 dB，大于-10 dB，不符合天线的工作要求，当[a=]1.7 mm时，天线带宽达到最大为10.1 GHz（3.6～13.7 GHz）。由图2b）可知，随着[b]的增大，增强了寄生贴片与接地面之间的耦合，从而增加了它们之间的等效电容，导致频带内低端谐振频率降低，当[b=]3.6 mm时，天线带宽达到最大为9.93 GHz（3.62～13.55 GHz）。
图3a）为改变六边形大小对带宽的影响，通过改变[n]的值来调整缝隙区域的面积，此时[a=]1.7 mm，[b=]3.6 mm。从图中可见，随着[n]的增大，低端谐振频率降低，由于当[n=]9.4 mm和[n=]11.4 mm时中间均有部分频率的回波损耗大于-10 dB，不满足天线工作要求，故当[n=]10.4 mm时，带宽为9.9 GHz（3.67～13.58 GHz）。图3b）为回波损耗随[g]变化对带宽影响的曲线，通过改变微带馈线的高度[g]可以改变微带馈线和辐射贴片之间的耦合缝隙大小，[g]的变化范围为9.6～11.6 mm，其他参量保持不变。由图可知，随着微带馈线长度的增加，低端谐振频率也增大，这是由于寄生贴片与微带馈线之间的等效电容在减小，当[g=]10.6 mm时，带宽达到了10 GHz（3.66～13.65 GHz）。
通过HFSS进行模型优化确定最优尺寸后，选择分别在4 GHz，8 GHz和12 GHz三个频点处进行了E面（[Z?X]平面）和H面（[Z?Y]平面）的辐射方向图的仿真，如图4所示。
由图4可知，该天线随着频率的增加从4～8 GHz H面辐射方向图显示出近全向辐射特性，频率增大到12 GHz时，H面辐射特性变化不大，所以H面在工作频带范围内具有稳定，全向辐射特性。而E面呈双向性，在4 GHz时，天线辐射特性较好，在8 GHz时，方向图稍有变形，但其辐射特性也很好，当频率达到12 GHz时，高次谐波使E面出现了副瓣。
天线电流分布图与实物图如图5所示。从电流分布图可知，在馈电口电流较大，即馈电口对天线的影响较大，要想使天线性能更佳，可以对其进行更进一步的优化。图5b）为天线实物图，通过采用Ansoft HFSS软件对天线若干参量的优化分析，得出的最优尺寸为[a=]1.7 mm，[b=]3.6 mm，[e=]1.6 mm，[g=]10.6 mm，[n=]10.4 mm，[W1=W2=]25 mm。根据该尺寸加工出天线实物。3 ?结果与讨论对实物使用安捷伦N5224A矢量网络分析仪对天线的回波损耗进行测试，图6为回波损耗仿真与测试结果。
从图6可知，该天线测试的带宽和仿真的带宽相差不大，但是也存在一定的误差，且在不同谐振点处回波损耗[S11]的实测值与高频电磁仿真软件HFSS 的模拟结果存在一定的误差。这是因为天线在加工过程中制造精度存在一定的误差，寄生贴片几何尺寸的微小变化可能会对结果产生较大的变化。也可能是天线辐射贴片的金属铜产生氧化作用，形成氧化铜，从而对辐射性能也会产生一定程度的影响。另外，天线的焊接处接触不良也会引起一定的损耗，在测试过程中，测试接口、测量环境以及外界的杂波都会引入一定的损耗，都会使测试结果产生一些不可避免的误差。在微波暗室中，墙壁吸波不完全，同时也不能完全隔离外界杂波。在测试时发现，当天线的位置有微小变动时，测试结果会发生很大变化;当用两个不同的分析仪器测量时会发现结果也会很不一样。4 ?结 ?论本文设计一种缝隙由正六边形和对称十字形组成的小型化宽频带天线。通过调整缝隙的大小以及缝隙与馈电线的耦合实现宽频带，使用HFSS软件仿真优化得出最优尺寸，使天线结构与缝隙的各项参数更为合理，使用矢量网络分析仪对天线实物的回波损耗进行测试。测试结果表明，该天线的阻抗带宽（VSWR<2）为10 GHz（3.6～13.6 GHz），有效改善了一般小型缝隙天线频带窄的缺点，在E面和H面均具有良好的辐射特性。该天线结构紧凑，尺寸较小，提高了阻抗带宽，易于加工，使用一般PCD加工方式，方便集成且易于与各种设备或电路集成，成本低，便于大批量生产，符合无线通信系统的应用需求以及宽带无线局域网（WLAN）的应用需求，是一种有着较好性能且具有一定实用价值的天线。
注：本文通讯作者为王代华。
参考文献
[1] 蔡得水.微带缝隙天线的研究与设计[D].西安：西安电子科技大学，2012.
CAI Deshui. Research and design of microstrip slop antenna [D]. Xian： Xidian University， 2012.
[2] QIAN K， TANG X. Compact LTCC dual?band circularly pola?rized perturbed hexagonal microstrip antenna [J]. IEEE antennas & wireless propagation letters， 2011， 10（9）： 1212?1215.
[3] SIDANA Y， CHAUDHARY R K， SRIVASTAVA K V. A novel dual?band hexagonal patch antenna coupled with complementary split ring resonator [C]// Proceedings of 2012 Asia Pacific Microwave Conference. Kaohsiung： IEEE， 2012： 1343? 1345.
[4] JUNG J. A compact broadband antenna with an L?shaped notch [J]. IEICE transactions on communications， 2006， 89（6）： 1968?1971.
[5] PAN C Y， HORNG T S， CHEN W S， et al. Dual wideband printed monopole antenna for WLAN/WiMAX applications [J]. IEEE antennas & wireless propagation letters， 2007， 6（11）： 149?151.
[6] SUNG Y. Bandwidth enhancement of a microstrip line?fed printed wide?slot antenna with a parasitic center patch [J]. IEEE transactions on antennas & propagation， 2012， 60（4）： 1712?1716.
[7] XU J， SHEN D， ZHENG J， et al. A novel miniaturized UWB antenna with four band?notches [J]. Microwave & optical technology letters， 2013， 55（6）： 1202?1206.
[8] KUMAR S， KANAUJIA B K， DWARI S， et al. Analysis and design of switchable rectangular monopole antenna using asymmetric cross slot for wireless communication [J]. Wireless personal communications， 2016， 89（1）： 119?133.
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ZHANG Yongping， YANG Ru. UWB slot antenna with superior band?notched selectivity [J]. Modern electronics technique， 2014， 37（15）： 86?88.
[10] 郭世宇，华伟，崔琳.具有多阻带特性的超宽带天线研究与设计[J].现代电子技术，2015，38（9）：68?69.
GUO Shiyu， HUA Wei， CUI Lin. Research and design of UWB antenna with multiple band?notched characteristic [J]. Modern electronics technique， 2015， 38（9）： 68?69.
