一种改进型60GHz双层微带天线的设计与仿真

王子浩;石丹;邹新龙;高攸纲;陈亚洲

【摘 要】Compared to usual microwave antenna, microstrip antenna has many advantages, such as small size, light weight, low profile and good conformal shape. But its narrow-band characteristic has limited it from widespread application. So broadening the bandwidth of microstrip antenna is very important. In this paper, a double-layer microstrip antenna working at 60GHz is designed . By the way of reducing the dielectric constant and increasing media thickness, and its bandwidth to 6GHz.%微带天线和常用的微波天线相比，有体积小、重量轻、低剖面、易共形等特点。但是他的窄频带特性成了限制其广泛应用的主要障碍，因此，展宽微带天线的带宽具有十分重要的意义。本文通过减小介质介电常数，增大介质厚度，并最终采用双层微带天线的方法，设计了一个60GHz的双层微带天线，拓展带宽到6GHz。 【期刊名称】《环境技术》 【年(卷),期】2014(000)0z1 【总页数】4页(P85-88)

【关键词】60GHz双层微带天线;大带宽 【作 者】王子浩;石丹;邹新龙;高攸纲;陈亚洲

【作者单位】北京邮电大学电子工程学院，北京 100876;北京邮电大学电子工程学院，北京 100876;北京邮电大学电子工程学院，北京 100876;北京邮电大学电子工程学院，北京 100876;石家庄军械工程学院，石家庄 050003

【正文语种】中 文 【中图分类】TN82

随着多媒体应用的发展，世界各国相继开放60GHz频率附近大于5GHz频宽免许可频带，60GHz无线通信系统的研究成为学术界和产业界研究新热点之一。由于60GHz短距离无线通信发展使得60GHz天线也成为一个研究热点，60GHz毫米波信号存在巨大路径损耗，因此毫米波天线必须提供在大宽带下的高增益和高效率。天线对于整个系统的实现具有重大意义，在60GHz频率下，天线应具有低成本、小型化、高增益、易集成的特点。因此，在毫米波的应用趋势下，天线将是60GHz毫米波无线通信系统的核心技术之一，而60GHz天线的设计也将成为一个热点和重点。由于微带天线的诸多特点，我们选择微带天线作为本文的研究重点。而微带天线的带宽很窄，大概只有1.3GHz，带宽比2.2%左右，我们通过减小介质介电常数，增大介质厚度，并最终采用双层微带天线的方法，拓展带宽到6GHz。 设计微带天线的第一步是选择合适的介质基片，假设介质的介电常数为rε，对于工作频率为f的矩形微带天线，可以用下面的公式大致估算天线的参数。 设微带天线宽度为w，即为： 式中，c是光速。

辐射贴片的长度一般取为λe/2；这里的λe是介质内的导波波长，即为: 式中εe为有效介电常数，可用下式计算：

对于同轴馈电微带天线，可以直接近似计算出输入阻抗为50Ω时的馈电点的位置。 式中：

本文设计的双层微带天线结构如图1，从上到下结构分别为：上层贴片，介质1，下层贴片，介质2，地，采用同轴对下层贴片进行馈电，上层贴片为耦合贴片。 在本次设计中，为了方便调试，减少参量，两贴片均采用正方形，两层介质均采用

Taconic TLY (tm)（相对介电常数为2.2），同时下层介质的高度为0.254mm，设置上层介质高度为变量，通过调节上层介质高度来调整两块贴片的耦合度。 优化后，具体的参数见表1。

图2是优化后的S11曲线，从图中可以看出，由于有两个贴片，S11出现了两个频率点，通过调节介质基片2的高度，调节上下贴片的耦合度，通过调节上下贴片的长度来调节两个谐振点的距离，通过调节馈电点来调节贴片的匹配程度，最终，出现了两个工作点，f1=60.05GHz，在f1点的S11达到-51.2db，f2=63.15GHz，在该点的S11达到-22.6db，通过上下贴片的耦合，最终天线的带宽达到了6.05GHz,带宽比达到了10%。达到了预期的目的。

两个谐振点的位置主要由贴片的长度决定。贴片间的距离决定它们的耦合程度。如图3，随着H2（介质基片2的高度）的变化，在两个工作点的S11发生变化，通过调节H2，使得最终在两个工作点均取得较好的匹配，两块贴片达到较好的耦合。 随后再调节馈电点的位置L1，使得在两个工作点都有较好的匹配，在两个工作点都有一定的深度（如图4）。从图中可以看，S11曲线有两个工作频率点，通过调节L1，调节上下贴片匹配程度，当L1从0.77mm增大到0.83mm时，在60GHz频率点的匹配程度越来越好，S11越来越小，相反。在63.2GHz频率点的匹配程度越来越差，S11越来越大，由于ROF系统主要工作在60GHz，因此希望在60GHz频率点匹配更好，故选取馈电点L1=0.83mm。

至此，天线的带宽终于基本达到要求，接下来再查看天线的其他参数并进行微调。 4.1 工作频率及带宽

设计的天线S11性能如图5所示。

从图5中可得到，S11<-10db阻抗带宽是[57.50GHz, 63.55GHz]，共6.05GHz，中心频率为60.5GHz，基本满足ROF系统对天线带宽的要求。若想进一步增大带宽，可向其中再加入空气层，图6是加入空气层后的双贴片S11曲线图（未优

化）。 4.2 驻波比

双层微带天线驻波比如图7，可以看出在57.5GHz到63.55GHz频率内，天线的驻波比均在2以下，在60GHz时接近于1，阻抗匹配很好，驻波比和S11实质上都反映了阻抗匹配程度。 4.3 增益

如图8为微带天线的增益图，在57.5GHz到63.55GHz频率内，天线的增益并不高，这是后期需要改进的一个方向。 4.4 方向图

要查看天线的方向图，首先得定义辐射表面。辐射表面是在球坐标下定义的，xz平面即φ=0°的平面，yz平面即φ=90°的平面，此处我们设置φ=0°和φ=90°的平面为辐射表面。设置完成后，xz及yz平面的增益图如图9所示。

为了更形象地查看天线的方向图，可以查看3D增益图。定义三维立体球面为辐射表面，得到的天线的3D增益图如图10。从图中可以形象直观地观察出天线的最大辐射方向。

至此，我们已经完成了微带天线的设计。从最基本的同轴馈电微带天线的设计出发，经过仿真和优化，设计了一个工作在60GHz的微带天线，接着以展宽带宽为目标，最终设计了一个工作在60GHz的双贴片微带天线，拓展带宽到6GHz，基本完成微带天线设计。

通过HFSS仿真软件的仿真与分析，设计了一个一个60GHz的双层微带天线。并采取减小介质介电常数，增大介质厚度的方法，拓展天线带宽到6GHz。并将此天线作为ROF系统天线的模型，研究了此天线的增益，方向图等其他参数。

王子浩（1992-），男，河南人，北京邮电大学电子工程学院，硕士在读，主要研究方向为电磁兼容和环境电磁学。 【相关文献】

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