新型S波段寬帶圓形貼片天線(xiàn)的設計

0 引言

微帶天線(xiàn)是在帶有導體接地板的介質(zhì)基片上貼加導體薄片而形成的天線(xiàn)，它具有剖面薄，體積小，重量輕，容易實(shí)現多頻段等優(yōu)點(diǎn)。但微帶天線(xiàn)有其固有缺陷，即寬帶比較窄，一般只有5％左右。因此，展寬微帶天線(xiàn)的帶寬具有十分重要的意義。目前，隨著(zhù)微帶天線(xiàn)的應用越來(lái)越廣，對于如何展寬天線(xiàn)的帶寬已經(jīng)出現了很多有效的方法，其基本方法有以下幾種：
(1)增大微帶介質(zhì)的厚度；
(2)降低微帶介質(zhì)的介電常數；
(3)采用有耗介質(zhì)；
(4)附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )等。

前兩種方法制作起來(lái)比較簡(jiǎn)單，容易加工；第三種方法以天線(xiàn)增益的降低為代價(jià)；第四種方法需要設計寬帶匹配電路，電路結構復雜，制作難度大。

本文設計了一種新型天線(xiàn)，該天線(xiàn)采用較厚的空氣層與較薄的聚四氟乙烯雙層介質(zhì)，在前兩種方法的基礎上又利用金屬電容片補償同軸探針饋電時(shí)所引入的電感，同時(shí)在輻射貼片上開(kāi)縫形成雙峰諧振，進(jìn)一步拓展了天線(xiàn)的帶寬。文中對本天線(xiàn)，采用同軸探針直接饋電的天線(xiàn)與僅采用電容補償饋電的天線(xiàn)的帶寬進(jìn)行了比較。對微帶天線(xiàn)進(jìn)行計算與仿真，調節圓弧形縫隙的位置與長(cháng)度，可以使單個(gè)圓形貼片的阻抗帶寬在S波段內達到38％甚至更高，滿(mǎn)足了現代通信對天線(xiàn)帶寬的要求。

1 微帶天線(xiàn)的模型結構

微帶貼片天線(xiàn)的模型結構如圖1和圖2所示，輻射貼片與接地板之間的介質(zhì)由兩部分組成，下層為空氣介質(zhì)，其厚度為h1，上層是聚四氟乙烯，厚度為h2，并且h1遠大于h2，這樣的組合既可以增大介質(zhì)層的厚度，又可以等效降低相對介電常數。

與傳統探針直接饋電不同，本天線(xiàn)在探針頂部加載了一個(gè)小的圓形金屬貼片對上層的輻射貼片進(jìn)行耦合饋電，電容片的半徑為R，位置處于兩層介質(zhì)的交界面上。頂層的輻射貼片并沒(méi)有采用普通的圓形貼片，而是在其適當的位置開(kāi)了一個(gè)圓弧形槽。輻射貼片的半徑為R_out，圓弧槽的外半徑為R_slot，寬度為 d_slot，兩端口之間的距離為W，饋電同軸探針距離貼片圓心的水平距離為feed。

2 微帶天線(xiàn)的理論分析

圓形微帶天線(xiàn)的諧振頻率可近似用下式表示：

式中：a為圓形貼片的半徑；εr為介質(zhì)的有效介電常數。

通常情況下，對于同軸探針饋電的微帶貼片天線(xiàn)，介質(zhì)層厚度的增加會(huì )導致由探針引起的電感增大，從而惡化天線(xiàn)饋電點(diǎn)的輸入阻抗，可對探針引起的電感進(jìn)行補償。微帶天線(xiàn)的輸入阻抗和饋電探針的電感可以表示為：

式中：XL為探針引出的電感；η和k分別是特性阻抗和介質(zhì)中的波數；d為探針的直徑。為了補償電感，在探針頂部串聯(lián)一個(gè)電容，并使其滿(mǎn)足諧振條件：

這樣就可以有效地優(yōu)化天線(xiàn)饋電點(diǎn)處的阻抗，展寬其阻抗帶寬。
在輻射貼片上開(kāi)縫可以在很大程度上影響天線(xiàn)的諧振特性，如果縫隙的諧振頻率與貼片的諧振頻率相差不遠的話(huà)，天線(xiàn)的阻抗帶寬則很有可能被展寬，常見(jiàn)的矩形貼片加載U形槽的形式就可以極大地展寬天線(xiàn)帶寬。本天線(xiàn)采用圓形貼片加載圓弧縫隙，也可以實(shí)現這一點(diǎn)，下文將會(huì )具體分析到電容貼片和縫隙對天線(xiàn)諧振特性的影響。

3 微帶天線(xiàn)的相關(guān)尺寸及諧振特性

采用式(1)計算出天線(xiàn)諧振頻率在2．5 GHz時(shí)的圓形貼片半徑為21．5 mm，調整R_out=23 mm，經(jīng)過(guò)仿真得出饋電點(diǎn)的位置feed=6 mm，饋電圓盤(pán)的半徑R=2．4 mm，圓弧形縫隙的R_slot=16 mm，d_slot=2 mm，W=20 mm。

圖3顯示了本天線(xiàn)與其他兩種不同結構的圓形微帶天線(xiàn)的S11參數，調整圓形貼片的半徑使其諧振頻率都在2.5GHz左右，由圖中可以看出：

(1)直接采用探針饋電的圓形微帶天線(xiàn)的帶寬很窄，S11曲線(xiàn)低于-10 dB的范圍僅為50 MHz；
(2)采用雙層介質(zhì)結構，探針加載圓盤(pán)電容補償饋電的微帶天線(xiàn)帶寬大約在400 MHz；
(3)在第二種天線(xiàn)的設計基礎上，在圓形貼片上加載縫隙，即本天線(xiàn)的設計，可以使天線(xiàn)出現第二個(gè)諧振點(diǎn)，諧振頻率在3．1 GHz，從而可使阻抗帶寬達到1 GHz甚至更多。

3．1 饋電圓盤(pán)的半徑對天線(xiàn)的影響

探針頂部加載圓盤(pán)可以直接補償探針引出的電感，因此圓盤(pán)半徑R對天線(xiàn)的諧振特性有很大的影響。由圖4可見(jiàn)，當R由小變大時(shí)，第一諧振點(diǎn)(2．5 GHz)的位置基本不變，但是諧振深度會(huì )減??；第二諧振點(diǎn)的位置會(huì )往左移動(dòng)，同時(shí)諧振深度增加。

3．2 輻射貼片上縫隙的位置對天線(xiàn)的影響

貼片上的圓弧形縫隙是產(chǎn)生第二諧振點(diǎn)的直接原因。由圖5可見(jiàn)，R_slot=14 mm時(shí)，第二諧振點(diǎn)約在3．35 GHz；R_slot=16 mm時(shí)，第二諧振點(diǎn)在3．1 GHz；R_slot=18 mm時(shí)，第二諧振點(diǎn)在2．9GHz，但是已經(jīng)很不明顯。結論是隨著(zhù)R_slot的變大，第二諧振點(diǎn)的頻率越來(lái)越小。

4 微帶天線(xiàn)的帶寬和方向圖

采用上述各個(gè)參數的尺寸，可以得到圖6所示的電壓駐波比VSWR。很明顯，VSWR2的頻帶范圍大致從2.3～3.4GHz，相對帶寬達到38％。

頻率為2．5 GHz時(shí)，天線(xiàn)的方向圖如圖7所示，最大增益方向在天線(xiàn)的正上方，約為7．7 dB。

為了查看在阻抗帶寬內天線(xiàn)的方向圖有沒(méi)有發(fā)生畸變，圖8列出了天線(xiàn)在2．4GHz，2．7GHz，3GHz和3．4GHz時(shí)H面4個(gè)頻點(diǎn)的方向圖?？梢钥闯?，在很寬的阻抗帶寬內，天線(xiàn)在很大角度內的方向圖基本上保持穩定。

5 結 論

綜上所述，針對傳統微帶貼片天線(xiàn)帶寬較窄的缺點(diǎn)，本文在增大介質(zhì)厚度與降低介質(zhì)介電常數的基礎上，采用探針頂部加載電容耦合饋電、在輻射圓形貼片上開(kāi)圓弧形槽的方法，大幅度增大了微帶天線(xiàn)的帶寬，使之在S波段內帶寬達到了38％，且方向圖具有良好的穩定特性，可為工程實(shí)際提供參考。