嵌入饋電微帶貼片天線(xiàn)的設計

通過(guò)采用簡(jiǎn)單明了的傳輸線(xiàn)模型，建立微帶線(xiàn)嵌入饋電(inset-fed)貼片天線(xiàn)的精確模型并對之進(jìn)行分析已成為可能。

　　外形小、成本低的天線(xiàn)可用于許多現代通信系統中。微帶貼片天線(xiàn)代表一系列的小型天線(xiàn)，它們具有等角性質(zhì)和已與通信系統的印刷電路集成在一起的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)采用簡(jiǎn)單明了的傳輸線(xiàn)模型，建立微帶線(xiàn)嵌入饋電(inset-fed)貼片天線(xiàn)的精確模型并對之進(jìn)行分析已成為可能。另外，通過(guò)應用曲線(xiàn)擬合公式，也可以確定50Ω輸入阻抗所需的精確嵌入長(cháng)度。

　　饋電機制在微帶貼片天線(xiàn)設計中扮演了重要角色。微帶天線(xiàn)可以由同軸探針或嵌入的微帶線(xiàn)來(lái)饋電，同軸探針饋電在有源天線(xiàn)應用中具有優(yōu)勢，而微帶線(xiàn)饋電則是適合于開(kāi)發(fā)高增益微帶陣列天線(xiàn)。對于這兩種情況，探針的位置或嵌入的長(cháng)度都將決定輸入阻抗的大小。

　　已通過(guò)各種各樣的模型，包括傳輸線(xiàn)模型和空腔模型，以及通過(guò)全波分析對同軸探針饋電的貼片天線(xiàn)分輸入阻抗特性進(jìn)行了分析。無(wú)論從實(shí)驗上還是從理論上，都證明了同軸探針饋電貼片天線(xiàn)的輸入阻抗特性遵守三角函數：cos2[π(y0/L)]，其中，L等于貼片長(cháng)度，y0等于從邊緣沿著(zhù)貼片長(cháng)度L方向的饋電位置。

　　另一方面，從實(shí)驗上也證明在低介電常數材料上，嵌入饋電的探針天線(xiàn)的輸入阻抗表現為以下函數的4階特性：cos4[π(y0/L)]。

　　幸運的是，現已開(kāi)發(fā)出一種簡(jiǎn)單的分析方法，該方法利用傳輸線(xiàn)模型來(lái)獲得嵌入饋電微帶貼片天線(xiàn)的輸入阻抗。利用這種方法，在使用現代薄介電電路板材料時(shí)，可引用曲線(xiàn)擬合公式來(lái)確定嵌入長(cháng)度，以便實(shí)現50Ω的輸入阻抗。

　　圖1是嵌入饋電微帶貼片天線(xiàn)的圖示。參數εr、h、L、W、w SUB >f /SUB >和y0分別代表基板的介電常數、厚度、貼片長(cháng)度、貼片寬度、饋線(xiàn)寬度和饋線(xiàn)嵌入距離。嵌入饋電微帶貼片天線(xiàn)的輸入阻抗主要取決于嵌入距離y0，并在某種程度上取決于嵌入寬度(饋線(xiàn)與貼片導線(xiàn)之間的間距)。嵌入長(cháng)度的變化不會(huì )在諧振頻率上產(chǎn)生任何改變，但是嵌入寬度的變化卻會(huì )導致諧振頻率的改變。因此，在下面的討論中，貼片導線(xiàn)與饋線(xiàn)之間的間距是保持不變，等于饋線(xiàn)寬度。在與嵌入長(cháng)度有關(guān)的諧振頻率下的輸入阻抗的變化，將在下列討論中被看作各種參數的函數。

　　假設貼片天線(xiàn)可分成四個(gè)區域，那么可將它建模成一系列帶有不同長(cháng)度輻射槽的傳輸線(xiàn)(圖2)，表中列舉了這三個(gè)傳輸線(xiàn)的參數(寬度和長(cháng)度)和這三個(gè)輻射槽的寬度和長(cháng)度。

　　根據早期提出的方法，對一個(gè)具有εr=2.42、h=0.127cm、w=4.04cm、L=5.94cm和y0=0.99cm參數的貼片天線(xiàn)進(jìn)行了分析。圖3顯示了采用這里所提到的傳輸線(xiàn)模型方法所得到的結果，并將它與采用商用計算機輔助工程電磁(EM)仿真器得到的數據進(jìn)行了比較。即使諧振頻率有點(diǎn)漂移，傳輸線(xiàn)模型還是能非常接近地跟蹤EM仿真器預測的回波損耗曲線(xiàn)。諧振頻率上的這個(gè)微小漂移，是由于沒(méi)有考慮嵌入饋線(xiàn)與貼片之間的不連續性而導致的。

　　在各種εr (2 ≤εr ≤10)值下利用傳輸線(xiàn)模型對貼片進(jìn)行參數研究。圖4表明了在邊緣(y0=0)處，由微帶線(xiàn)饋電的矩形微帶貼片天線(xiàn)具有更高的輸入阻抗，對于不同的εr值，其變化大約從150到450Ω。另外從中也可以觀(guān)察到，與同軸探針饋電的貼片天線(xiàn)相比，當嵌入位置從貼片邊緣向中心移動(dòng)時(shí)，輸入阻抗迅速下降。這些參數的研究已被用來(lái)推導如式(1)的曲線(xiàn)擬合公式，以便確定精確的嵌入長(cháng)度，從而為通常使用的薄介電基板上實(shí)現50Ω輸入阻抗。

　　用εr=5.0、h=0.127cm、W=4.1325cm、L=2.8106cm、y0=0.9009cm的貼片天線(xiàn)對該公式的精確性已進(jìn)行了驗證。為確認公式的有效性，采用EM仿真器對貼片進(jìn)行分析。圖5給出了由傳輸線(xiàn)模型產(chǎn)生的結果與EM仿真器預測結果之間的對比。盡管在這兩組數據中諧振頻率有1%的偏移，但用這兩種方法預測的回波損耗曲線(xiàn)還是具有很明顯的緊密一致性。