雙層寬頻微帶天線設(shè)計(jì)

0 引言

微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上附加導(dǎo)體貼片而構(gòu)成的天線，采用微帶線或者同軸探針對(duì)貼片進(jìn)行饋電，在貼片和接地板之間激勵(lì)起電磁場(chǎng)，通過(guò)貼片與縫隙向外輻射。由于微帶天線具有體積小，剖面低，重量輕，易饋電以及易與載體共形安裝等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于測(cè)量和通訊各個(gè)領(lǐng)域。但是，由于微帶天線是一種諧振式天線，高Q 特性也就決定了其輸入阻抗對(duì)頻率變化很敏感，導(dǎo)致了貼片天線的頻帶較窄( 一般頻帶的相對(duì)帶寬只有 2%~ 5%) 。

對(duì)于工作在北斗頻段的微帶天線而言，由于帶寬較窄，所以對(duì)工作頻點(diǎn)的準(zhǔn)確性有很高的要求，外界環(huán)境的微小變化都有可能使得頻點(diǎn)發(fā)生漂移，導(dǎo)致天線無(wú)法正常工作，為了解決這個(gè)問題，可以擴(kuò)寬微帶天線在頻點(diǎn)周圍的頻帶，這樣即使發(fā)生了頻點(diǎn)漂移，天線的工作頻點(diǎn)依然可以保持在天線的工作帶寬范圍內(nèi)。

針對(duì)擴(kuò)寬微帶天線的頻帶問題，已經(jīng)有了很多設(shè)計(jì)方法: 增加介質(zhì)基板的厚度，但這樣會(huì)引入表面波損耗;減小介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，但是會(huì)使基板的尺寸加大;增加寄生單元，同樣會(huì)使基板的面積加大; 增加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò); 縫隙耦合饋電; 采用多層結(jié)構(gòu)等。

本文采用在雙層貼片間加入空氣層的結(jié)構(gòu)，利用兩個(gè)貼片之間的相互耦合作用，產(chǎn)生兩個(gè)相近的諧振頻率點(diǎn)，從而達(dá)到增加微帶天線頻帶寬度的目的。下面對(duì)該微帶天線結(jié)構(gòu)、理論和仿真結(jié)構(gòu)進(jìn)行論述，并在最后給出了結(jié)論。

1 微帶天線的設(shè)計(jì)

1. 1 雙層微帶天線的結(jié)構(gòu)

微帶天線的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，與傳統(tǒng)微帶天線采用同軸探針對(duì)貼片進(jìn)行饋電不同，本文采用了正交微帶線對(duì)貼片進(jìn)行饋電，這樣既可以避免因?yàn)橥S探針的使用而引入電感，對(duì)天線的阻抗匹配帶來(lái)不便，也可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)天線的圓極化功能。兩條正交微帶線的寬度相同，均為W1。此外，從圖中可以看到，在兩個(gè)貼片之間加入了空氣層，使其起到降低介電常數(shù)的作用，從而達(dá)到增加頻帶寬度的目的。

圖1 雙層微帶天線的俯視圖與側(cè)視圖。

1. 2 雙層微帶天線的理論分析

具體的推導(dǎo)步驟如下，假設(shè)下層貼片的諧振頻率為f 01 ，邊長(zhǎng)為L(zhǎng)e1 ，上層貼片的諧振頻率為f 02 ，邊長(zhǎng)為L(zhǎng)e2 ，有:

式中: c 為自由空間中的光速。

式中: ε1 和ε2 分別代表底層介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)和上層介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù); h1 代表底層介質(zhì)基板的厚度; h2 代表空氣層的厚度。

式中: L ei 與L i 分別表示貼片的實(shí)際邊長(zhǎng)和貼片的伸長(zhǎng)量; εei 為有效介電常數(shù)。

1. 3 雙層微帶天線的尺寸參數(shù)

本文采用的基板是T ACNIC 公司的介質(zhì)基板,1 = 2. 65，h = 0. 5 mm。其中，上貼片L 2 = 95 mm，下貼片L 1 = 70 mm; 底層介質(zhì)基板的厚度為h1 = 1 mm,中間空氣層的厚度為h2 = 13 mm，介電常數(shù)為2 = 1 0( 也可以采用介電常數(shù)接近于1 的泡沫材料代替空氣層，本文選擇用空氣層來(lái)達(dá)到降低有效介電常數(shù)的目的) 。經(jīng)過(guò)多次仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)W1 = 6. 4 mm 時(shí),微帶天線可以得到較好的阻抗匹配。

1. 4 雙層微帶天線的仿真結(jié)果與分析

根據(jù)上述各個(gè)參量值，采用A nsoft 公司的HFSS對(duì)本文所設(shè)計(jì)的微帶天線進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如下:

圖2 給出了S11= - 10 dB 時(shí)的微帶天線的頻帶展寬情況，圖3 則給出了VSWR = 2 時(shí)，微帶天線的頻帶展寬情況。

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圖2 S11 =- 10 dB 時(shí)，微帶天線的頻帶展寬情況。

圖3 VSWR =2 時(shí)，微帶天線的頻帶展寬情況。

從圖2，圖3 中可以看出，微帶天線的工作頻帶在1. 206~ 1. 346 GHz 之間，中心頻率為1. 276 GHz，與北斗頻點(diǎn)1. 268 GHz 相距很近，頻帶寬度達(dá)到了BW=140 MHz，相對(duì)寬度為11. 04%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了普通微帶矩形貼片天線的工作帶寬的范圍( 一般普通的微帶天線相對(duì)帶寬在2% ~ 5% 左右) 。適當(dāng)?shù)恼{(diào)整空氣層的厚度還可以控制諧振點(diǎn)的變化。此外，從圖2，圖3 中還可以看到，在工作的頻帶范圍內(nèi)有2 個(gè)諧振頻點(diǎn)，這是由上，下2 個(gè)貼片各自諧振而引起的，可見雙層貼片可以產(chǎn)生兩個(gè)諧振點(diǎn)，進(jìn)而可以有效地達(dá)到展寬微帶天線頻帶的目的。

由圖4 可以看到，雙層微帶天線的增益達(dá)到了5. 2 dB，較之傳統(tǒng)的微帶天線增益有少許增加，由此可見，雙貼片的微帶天線在提高增益方面也有一定的貢獻(xiàn)。若要大幅度提高微帶天線的增益，則可以在頂層貼片上再覆蓋一層ε r》 1 的介質(zhì)基板即可。

從圖5 中可以看出，微帶天線的部分軸比小于3 dB，從而實(shí)現(xiàn)了天線的圓極化，但是微帶天線的最大輻射方向偏離軸向，天線的軸向比變差。該微帶天線基本可以滿足圓極化的要求。

圖4 微帶天線的增益。

圖5 微帶天線的軸比仿真圖。

2 結(jié) 論

針對(duì)微帶貼片天線頻帶較窄的特點(diǎn)，本文提出了一種利用正交微帶線進(jìn)行饋電的雙貼片微帶天線結(jié)構(gòu)。

在VSWR=2 時(shí)，頻帶范圍在1. 206~ 1. 346 GHz之間,帶寬達(dá)到了140 MHz，相對(duì)帶寬達(dá)到了11. 04%。在工作頻段內(nèi)，天線的增益有稍許提高，軸比可以接受，所以此天線結(jié)構(gòu)是一種比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的微帶天線結(jié)構(gòu)。