帶空氣層的寬帶微帶天線(xiàn)的分析與設計

1引言

微帶天線(xiàn)，作為20世紀70年代研究成功的一種新型天線(xiàn)，以其結構簡(jiǎn)單、重量輕、低剖面、易于與飛行器表面共形安裝和可與微帶電路集成等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信、航空航天、電子對抗及雷達等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。但微帶天線(xiàn)也因其增益低、頻帶窄（通常帶寬只有（0.7%—7%）等缺陷限制了它的應用范圍。隨著(zhù)軍事通信、移動(dòng)通信中跳頻、擴頻通信技術(shù)的發(fā)展，要求天線(xiàn)在瞬時(shí)頻率上寬帶化顯得越來(lái)越迫切，特別是我國目前處于2G-3G的過(guò)渡階段，移動(dòng)通信用戶(hù)的急劇增長(cháng)，使得通信系統不斷更新和擴容。為減小無(wú)線(xiàn)通信中的干擾并降低成本，要求天線(xiàn)在寬頻帶內工作。因此，微帶天線(xiàn)的寬頻帶技術(shù)的研究已經(jīng)成為一個(gè)迫切的研究課題。

目前，微帶天線(xiàn)的寬頻帶技術(shù)主要有：增加介質(zhì)基片厚度，減小介質(zhì)介電常數；修改等效電路，如附加寄生貼片、采用電磁耦合饋電等；附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )；改變輻射板形狀，如采用分形結構或曲邊結構等Chang,Long和Richards等人通過(guò)實(shí)驗用增加基片厚度的方法得到了20%的天線(xiàn)工作頻帶寬度。Purchine,Aberie和Birtcher等人把微帶天線(xiàn)看成是一個(gè)諧振電路，在微帶天線(xiàn)的輻射板和接地板之間并接一個(gè)變容二極管，用微處理器控制改變加到變容二極管上的反向偏壓，應用調諧方法可以在1.55GHz—1.93GHz（相當于22%）的頻帶寬度上連續工作。An.Nanwelaers和Capelle在微帶天線(xiàn)輸入端與微帶線(xiàn)饋線(xiàn)之間加一個(gè)電抗匹配網(wǎng)絡(luò )，可以得到16.82%的天線(xiàn)工作頻帶。FangYang和XueXiaZhang等人采用E形貼片天線(xiàn)在無(wú)線(xiàn)通信頻率范圍內的帶寬可以達到30.3%。

由此可見(jiàn)，展寬微帶天線(xiàn)的帶寬已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但上面的方法也存在不足。如采用厚基片的微帶天線(xiàn)會(huì )造成表面波效應明顯增加，且天線(xiàn)的體積及重量也會(huì )隨之增大；采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )或是通過(guò)修改等效電路的方法則會(huì )帶來(lái)理論上分析的復雜性和天線(xiàn)制作困難等問(wèn)題；此外，通過(guò)改變輻射板形狀的方法會(huì )對天線(xiàn)制造公差提出更高的要求?；谝陨戏治?，本文采用引入空氣層的方法有效地展寬了天線(xiàn)的工作頻段，天線(xiàn)在整個(gè)工作頻帶內具有良好的輻射特性，且該天線(xiàn)的結構簡(jiǎn)單，易于制作。

2設計原理

本文擬設計的雙頻微帶天線(xiàn)工作于S波段（2.0GHz—4.0GHz）的頻率范圍內，其設計指標為：

（1）工作中心頻率3.0GHz：

（2）駐波比VSWR≤2.0；

（3）天線(xiàn)相對帶寬BW≥10%在普通矩形微帶天線(xiàn)的設計中，可以根據所要求的帶寬及增益，來(lái)確定介質(zhì)板的材料及厚度。一般可以給根據天線(xiàn)所工作的中心頻率，由以下兩式求出輻射片的尺寸：

，（1）

，（2）

（3）

其中W和L分別為輻射單元的寬度和長(cháng)度，為線(xiàn)伸長(cháng)量，為介質(zhì)等效介電常數。

由于本文采用帶空氣層的雙層微帶天線(xiàn)，故可以通過(guò)腔模理論計算出介質(zhì)層的等效介電常數公式如下：

，（4）

其中為空氣層厚度，為介質(zhì)層厚度，為介質(zhì)介電常數。

當時(shí)，微帶天線(xiàn)的帶寬的經(jīng)驗公式可以表示為：

，（5）

其中為中心頻率，為介質(zhì)基板厚度。

為了獲得寬頻特性，應該采用介電常數相對較小的介質(zhì)作為基板。此處我們所采用的介質(zhì)為RogersRT/duroid5880（相對介電常數，損耗角正切）。從理論上來(lái)說(shuō)，接地板可以視為無(wú)限大，然而在實(shí)際工程設計中，考慮到天線(xiàn)安裝尺寸、重量及其成本方面的諸多因素，接地板尺寸應盡可能的小。在實(shí)際工程應用中，當地板寬度滿(mǎn)足時(shí)，即可將地板視為無(wú)限大。