AMPS頻段低剖面寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)

1引言

現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中，通常要求天線具有9%左右的工作帶寬， 如AMPS頻段(824-894MHz)的帶寬為8.1%,GSM頻段(890-960MHz)為7.6%,以及DCS頻段(1710-1880MHz)為9.5%。同時(shí)，在個(gè)人移動(dòng)通信以及其他小型的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，通常要求天線小型化，即天線具有較小的橫向尺寸以及較低的剖面高度。然而，對(duì)于工作在較低的微波頻率下的微帶天線，如AMPS，GSM，以及DCS頻段，其物理尺寸通常會(huì)較大，以至于不能完全應(yīng)用在小型通信系統(tǒng)中。因此，設(shè)計(jì)出小型化（這里特別強(qiáng)調(diào)天線的低剖面特性）的寬帶微帶天線是目前微帶天線研究中的熱點(diǎn)之一。

近年來(lái)，小型寬帶微帶天線的相關(guān)設(shè)計(jì)方法層出不窮。各種開槽加載設(shè)計(jì)方法可以有效地減小天線的尺寸和提高天線的帶寬。然而，幾乎所有的開槽加載技術(shù)，如U形槽，V形槽和E形槽，通常要求介質(zhì)層與地板之間具有至少0.06λ0的空氣層厚度。使用L形探針饋電是另一種有效的改善天線帶寬的方法，然而，正如指出的那樣，該方法需要至少0.08λ0的介質(zhì)層厚度。另外，寬帶微帶天線的小型化也經(jīng)常使用短路探針和短路壁的方法，但由于這種短路技術(shù)會(huì)造成天線增益的大幅下降，這使得在要求遠(yuǎn)距離通訊的系統(tǒng)中并不適用。鑒于同樣的原因，雖然貼片電阻加載技術(shù)可以得到較小的天線尺寸和較大的阻抗帶寬，貼片電阻帶來(lái)的歐姆損耗在一定程度上也限制了該技術(shù)在遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。

隨著現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，低剖面，寬帶寬以及高增益的微帶天線的研究具有重要的意義。顯然，中的設(shè)計(jì)方法并不能很好地同時(shí)滿足這些要求。據(jù)作者所知，在不使用會(huì)造成增益下降的技術(shù)如短路加載，貼片電阻加載的前提下，有關(guān)提高低剖面微帶天線帶寬的方法研究在國(guó)內(nèi)外報(bào)道中并不多見。本文的研究目的就在于尋求一種既不降低天線增益，卻能同時(shí)提高天線帶寬和降低天線剖面高度的有效設(shè)計(jì)方法。

本文提出了一種新型寬帶低剖面微帶天線的設(shè)計(jì)方法。該天線采用同軸饋電，輻射貼片為傳統(tǒng)的E形貼片。介質(zhì)層的下表面印刷有分布式LC電路，該電路通過(guò)探針與E形輻射貼片有電連接。在該天線中，低剖面特性所引起的小探針電感由LC電路中的分布式電感得到補(bǔ)償，因此有效地降低了空氣層厚度。同時(shí)，通過(guò)合理地設(shè)計(jì)LC電路，可以使LC電路的諧振頻率與E形貼片的固有諧振頻率相靠近，從而有效地展寬天線的帶寬。

2低剖面寬帶E形貼片微帶天線設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的E形貼片天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該E形貼片印刷在εr=4.3,厚度h=0.16cm,介質(zhì)損耗為tanδ=0.02的FR4介質(zhì)板上。該天線采用探針饋電，介質(zhì)層與地板之間的空氣層厚度為?=2cm。貼片四周的金屬壁與地板相連，用于提高天線的前后比。圖2所示的天線輸入阻抗在Smith圓圖上的位置表明：a)當(dāng)空氣層厚度為2cm時(shí)，天線在整個(gè)頻段內(nèi)具有良好的阻抗匹配；b)當(dāng)空氣層厚度降至?=1.2cm時(shí)，由于探針長(zhǎng)度的縮短，使得探針電感降低，同時(shí)E形貼片與地板之間的電容增強(qiáng)，因此輸入阻抗偏容性，阻抗失配。從以上兩點(diǎn)分析容易看出：a)如果在保持空氣層厚度較小的條件下(?=1.2cm)，能夠在天線結(jié)構(gòu)中引入新的電感分量用于補(bǔ)償空氣層厚度降低造成的探針電感降低，那么天線的低剖面特性就容易實(shí)現(xiàn)；b)如果新引入的電感分量可以與一個(gè)適當(dāng)?shù)娜菪苑至啃纬珊?jiǎn)單的LC回路，使得該諧振電路的諧振頻率與原E形貼片的諧振頻率相靠近，那么天線的帶寬就可以進(jìn)一步展寬。

圖1傳統(tǒng)E形貼片微帶天線結(jié)構(gòu)圖

圖2不同空氣層厚度下傳統(tǒng)E形貼片微帶天線的輸入阻抗

基于上述兩點(diǎn)分析，在介質(zhì)板的背面引入一個(gè)分布式LC電路，該LC電路包含一個(gè)圓形貼片和一個(gè)簡(jiǎn)單的螺旋電感。螺旋電感用于補(bǔ)償空氣層厚度降低引起的較小的探針電感，而圓形貼片可以與輻射貼片和地板形成新的電容分量，并與新的電感分量一起形成新的諧振點(diǎn)。該LC回路通過(guò)探針與輻射貼片通過(guò)過(guò)孔進(jìn)行電連接，詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)以及側(cè)視結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

（a）LC諧振電路結(jié)構(gòu)圖

(b)新型低剖面寬帶天線的側(cè)視結(jié)構(gòu)圖

圖3