用于WCDMA的小型宽频微带天线的设计与研制(图文)

论文导读：随着无线通信系统与用户的迅猛增加，对系统通信容量的要求大大提高，人们更希望能够享受到图像、数据等宽频带多媒体服务。在这种情况下，世界各国均竞相研究第三代移动通信系统（简称3G），其中采用直接扩频技术的WCDMA体制是最具竞争力的系统方案，得到了人们的广泛关注。本文结合多种微带天线小型化，宽频带的方法，设计了一种适用于WCDMA系统的小型宽频带的微带天线，该天线采用短路针加载等边三角形贴片实现小型化，采用在贴片上开缝实现宽频带。
关键词：小型化，宽频带，微带贴片天线，WCDMA，电磁仿真
 

1 引言

随着无线通信系统与用户的迅猛增加，对系统通信容量的要求大大提高，人们更希望能够享受到图像、数据等宽频带多媒体服务。在这种情况下，世界各国均竞相研究第三代移动通信系统（简称3G），其中采用直接扩频技术的WCDMA体制是最具竞争力的系统方案，得到了人们的广泛关注。

WCDMA系统射频的工作频带范围是1920-2170MHz，频宽达250MHz，相对带宽达到13%，因此对于WCDMA移动终端的天线设计要求有大带宽、小尺寸且在整个方位平面上提供均匀覆盖、增益0dBi以上。目前商用的移动终端设备大多采用鞭状天线，存在尺寸不易缩小，人体邻近效应造成辐射方向不均匀等问题。而微带天线以其体积小、重量轻、能与载体共形等优点被广泛地应用在移动通信终端上。本文结合多种微带天线小型化，宽频带的方法，设计了一种适用于WCDMA系统的小型宽频带的微带天线，该天线采用短路针加载等边三角形贴片实现小型化，采用在贴片上开缝实现宽频带。

2 天线的结构与仿真

本文设计的天线的结构选择短路针加载等边三角形贴片来实现天线小型化，采用空气介质并在贴片上开两条窄缝，来展宽天线的带宽。天线结构如图1所示，微带天线贴片为等边三角形，边长L，一对窄缝位于中心线两侧，缝长与宽分别记为d和w，缝距底边距离记为c，两条窄缝之间距离记为S。馈电采用50Ω同轴馈电，馈电位置位于中心线上距底边距离记为dp，短路针距底边距离记为ds，馈电探针与短路针半径分别记为Rp与Rs。采用空气介质，贴片距接地板高度记为h。

图1 微带天线结构

经过HFSS9.2大量的仿真优化，最终得到的天线参数值如表5.1所示。

表5.1 天线优化后的具体参数值 单位(mm)

图2是天线辐射方向性图：

(a)E面(b) H面

图2 天线在2GHz的方向性图特性（——）

由图2可知，天线在E面的交叉极化较小，小于-20dB。H面的交叉极化较大。不过，移动通信的信号经过多路径传输，有非常大的信号衰落和交叉极化，设计的天线用来接收这样的信号也是合适的。

3 天线的加工与测试

根据设计结果，制作了一个原型天线。天线的加工模型如图3所示。图中贴片使用两个小的塑料片支撑，天线各部分尺寸都与设计参数相同，贴片与接地板都是用低耗的单面敷铜的介质板。

图3天线的加工模型

图４为S11参数的仿真结果和用矢量网络分析仪测得的结果对比图，可以看到（1）仿真的S11曲线谐振频率为2.01GHz，-10dB回波损耗频带范围从1850MHz~2200MHz，绝对带宽达到了350MHz，相对带宽17.5%（VSWR<=2）。完全可以满足WCDMA的要求，甚至覆盖了PCS频段。测试的S11曲线谐振频率在1.99GHz，带宽17%（VSWR<=2）比其仿真值带宽要小一些，但仍能覆盖WCDMA频段；（2）测试曲线的S11最低值大概-17dB，大于仿真值的-25dB。可能是因为实际加工的精度不高；（3）在高频区域两条曲线基本吻合。

图4 S11参数的比较

表2为3D暗室测试的天线的辐射参数

表2 暗室测试的天线辐射参数

4 结论

从仿真和测试的结果来看，该结构具有良好的宽频特性，其中心频率为2GHz。带宽达到了350MHz，能够完全覆盖WCDMA的频段(1920MHz～2170MHz)。在工作频段上，输入阻抗特性良好，匹配良好。各向辐射均匀且天线尺寸较小。综上，该天线模型结构比较简单，各种特性良好，价格便宜，实现了小型化和宽频带，满足3G移动终端天线的要求。具有一定的实际应用前景。

参考文献
[1] 钟顺时.微带天线理论与应用.西安电子科技大学出版社.1991
[2] 董玉良，杨小鹏，张士选.新型三角形微带天线及其分析. 西安电子科技大学学报，2002
[3] Ansoft HFSS,Ansoft Corporation, http://www.ansoft.com.cn