一種超寬帶貼片天線(xiàn)的設計與研究

　　貼片天線(xiàn)設計方案

　　設計超寬帶貼片天線(xiàn)在一個(gè)材質(zhì)是FR4尺寸為35mm×35mm，厚度h為0.45mm，介電常數ε_r為4.4的介質(zhì)基板上。且由一個(gè)貼片和一個(gè)作為饋線(xiàn)的小貼片和接地板組成。貼片天線(xiàn)的結構印制在RF4基板的一面，另一面是接地板，對接地面做了半圓形縫隙處理，改善了天線(xiàn)的輻射方向特性^[3]。又經(jīng)過(guò)對文獻^[4-7]的設計方法進(jìn)行總結和擴展，做了以下的設計，具體是在接地面開(kāi)一個(gè)半徑R=12mm的小半圓縫隙。設計的貼片開(kāi)槽結構形似一個(gè)舊式飛機模型樣式，首先估計尺寸再經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化，如圖2(a)所示為仿真器繪制的貼片天線(xiàn)三維立體模型圖;天線(xiàn)模型尺寸結構和物理量參數的描繪如圖2(b)(虛線(xiàn)部分為反向的接地板面);表1為設計之初貼片天線(xiàn)的各個(gè)物理量參數尺寸。

　　該設計的目標旨在低于-10dB的回波損耗(S11)的情況下，天線(xiàn)能達到良好性能和較好帶寬。為實(shí)現這一目標，恰當的天線(xiàn)幾何尺寸是必需的。因此，為了獲得最佳的回波損耗和阻抗帶寬，將對該天線(xiàn)的設計參數，如縫隙，貼片形狀和饋電寬度進(jìn)行研究和比較，使用Ansoft HFSS 12.0仿真軟件仿真，以使天線(xiàn)做到最佳的尺寸。

　　設計方案優(yōu)化前的回波損耗和遠場(chǎng)輻射圖如圖3所示。

　　由上圖可以看出，該天線(xiàn)的阻抗帶寬大致范圍為1.65~5.00GHz，并沒(méi)有達到超寬帶的要求，屬于窄帶天線(xiàn)。且由遠場(chǎng)輻射方向圖看出天線(xiàn)所表現的全向性并不好，因此，下面將通過(guò)Ansoft HFSS仿真軟件對貼片天線(xiàn)的一些尺寸參數進(jìn)行優(yōu)化，力求達到超寬帶天線(xiàn)的要求。

　　優(yōu)化方案

　　對各個(gè)物理參數進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設置。經(jīng)過(guò)仿真分析，接地板寬度L4從10mm開(kāi)始，隨著(zhù)寬度的增加，帶寬越來(lái)越寬，當L4達到13mm時(shí)，則它不再滿(mǎn)足超寬帶的特性，因而我們認定當L4=12mm時(shí)能夠獲得最佳的阻抗帶寬。改變橫縫隙的位置，讓它向著(zhù)y軸正向移動(dòng)，距x軸的距離設為H，在L1變動(dòng)時(shí)，此時(shí)我們發(fā)現，當H=23mm時(shí)，阻抗帶寬范圍為2.25~11.5GHz，也由此得出H為23mm時(shí)是最適合的位置。研究表明豎條縫隙的位置對天線(xiàn)的回波阻抗的影響并不是很大，隨著(zhù)其長(cháng)度的增大，阻抗帶寬也會(huì )有相應的增加，所以選擇其長(cháng)度L9=15mm能夠滿(mǎn)足最佳的天線(xiàn)性能。我們又改變了L7長(cháng)度的大小來(lái)觀(guān)察天線(xiàn)的回波損耗得出了當L7=6mm時(shí)，天線(xiàn)能夠表現出最佳的回波損耗性能。實(shí)驗中又試著(zhù)再改變L10的大小，當L10=2mm時(shí)，天線(xiàn)能夠表現出最佳的回波損耗性能。并且還得出了隨著(zhù)L10的增加，天線(xiàn)的阻抗帶寬也隨著(zhù)增加的結論。接下來(lái)改變寬度W的大小，觀(guān)察總結出當W=1mm時(shí)，天線(xiàn)能夠表現出最佳的回波損耗性能。且隨著(zhù)W的增加，天線(xiàn)的回波損耗越來(lái)越差，阻抗帶寬也越來(lái)越小。最后討論小半圓半徑R對天線(xiàn)回波損耗的影響，得出當R=11mm時(shí)，天線(xiàn)能夠表現出最佳的性能。且隨著(zhù)R的增加，天線(xiàn)的回波損耗變得越來(lái)越差。經(jīng)過(guò)對天線(xiàn)設計參數的仿真與細致研究，我們得出最終的優(yōu)化的結果，各項物理參數如表2所示。