一種Ku波段寬頻帶微帶天線(xiàn)的仿真設計

1 引言

微帶天線(xiàn)由于其體積小、重量輕、剖面低、易于和載體共形、及易于加工和電路集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，在通信和雷達領(lǐng)域得到了廣泛的應用。但是其固有的頻帶窄，一般典型微帶天線(xiàn)的帶寬在0.7%到7%左右，功率容量低，限制了其應用。近年來(lái)許多國內外的天線(xiàn)工作者在圍繞如何展寬微帶天線(xiàn)的帶寬上做了大量的研究，也取得了顯著(zhù)的成果，具體可以歸納為以下幾種方法：1增加介質(zhì)基板的厚度，降低介質(zhì)的介電常數；2對饋電電路采用寬帶阻抗匹配（如采用阻抗匹配電路或開(kāi)縫耦合饋電等）；3采用層疊貼片實(shí)現多貼片諧振；4采用開(kāi)槽加載技術(shù)；5修改貼片形狀；6新型基片材料的使用。在通常情況下，可以采用多種方法相結合的方法，這樣往往能夠取得比較好的效果。

在諸多方法中采用口徑耦合饋電擴展微帶天線(xiàn)的帶寬是比較成功的一種方法。這種耦合饋電的方法最早是由Pozar于1985年提出的，與傳統的同軸饋電或側饋相比，縫隙耦合饋電結構的主要優(yōu)點(diǎn)是，這種饋電結構更適合電路的集成；由于采用了不共面的設計，由地面把輻射部分和饋電結構隔開(kāi)，減少或消除了饋電結構對天線(xiàn)方向圖的寄生輻射影響，能獲得寬頻帶的駐波比特性。Vivek通過(guò)實(shí)驗的方法研究了幾種開(kāi)不同的耦合槽對天線(xiàn)耦合量的影響，實(shí)驗證明開(kāi)H型耦合槽可以得到較大的耦合量，開(kāi)H形槽耦合的微帶天線(xiàn)一般可以獲得10%(VSWR2)左右的相對帶寬,而且具有良好的交叉極化性能。文獻使用了H型槽耦合饋電達到了寬頻帶和高增益的較好效果。通過(guò)修改H型槽從而獲得了良好的極化效果和寬頻帶特性。此外，改進(jìn)了H型耦合饋電的結構，在H型槽耦合饋電的基礎上，在輻射貼片上也開(kāi)H型槽，增強了饋線(xiàn)與貼片之間的耦合，從而擴展了天線(xiàn)的帶寬。

在以上的研究基礎上，本文采用了H型槽耦合饋電，并在輻射貼片邊緣處開(kāi)縫的結構，以實(shí)現較寬頻帶的阻抗帶寬。通過(guò)仿真發(fā)現該種新結構的微帶天線(xiàn)在中心頻率14.5GHz能夠達到39.8%的阻抗相對帶寬（S11-10db）。表明該結構能夠有效地展寬微帶天線(xiàn)的帶寬。

2 天線(xiàn)結構設計

這種寬頻帶微帶天線(xiàn)結構如圖1所示，圖1(a)是天線(xiàn)的側視圖，它是由四層介質(zhì)和貼片構成的。其中第二層介質(zhì)Foam是介電常數為1.0006的泡沫塑料，其他三層介質(zhì)均是介電常數為2.2的Rogers RT/duroid 5880 (tm)材料，er0=er2=er3=2.2，er1=1.0006。天線(xiàn)最上方的一層Radome是由介質(zhì)板構成的天線(xiàn)罩，用來(lái)保護天線(xiàn)表面，它對天線(xiàn)的方向圖、輻射效率、增益都略有影響。

天線(xiàn)的主體是由中間的兩層介質(zhì)板組成，如圖1(a)所示。Foam是一層介電常數很低的泡沫塑料，對輻射貼片起支撐作用。增加該層介質(zhì)基板的厚度H1，減小其介電常數er1均能起到增加微帶天線(xiàn)的阻抗帶寬的效果，但是厚度增加會(huì )使貼片與縫隙之間的耦合減弱，表面波增強，而且天線(xiàn)的尺寸增大，所以在實(shí)際設計時(shí)需要綜合考慮。Foam上附著(zhù)的是矩形輻射貼片，如圖1(b)所示。輻射貼片的長(cháng)度L1決定了天線(xiàn)的諧振頻率，由于縫隙耦合使得諧振長(cháng)度與理論值有較大的出入，因此在設計時(shí)要把耦合縫隙的尺寸和貼片的尺寸結合起來(lái)考慮。寬度W1對方向圖、頻帶寬度和輻射效率都有影響，當寬度取大時(shí)對頻帶、效率和阻抗匹配都有利，但是當W1大于一定值時(shí)會(huì )產(chǎn)生高次模，引起場(chǎng)的畸變。理論研究表明當輻射貼片的寬度是長(cháng)度的2倍時(shí)，阻抗帶寬能增加1.6倍左右。

本文在設計時(shí)利用了高次模的影響，取寬度接近于長(cháng)度的2倍，具體的尺寸在仿真優(yōu)化時(shí)可以得到。我們在貼片的邊緣處分別開(kāi)了矩形窄縫，因為縫隙很窄且靠近貼片的輻射邊緣， 所以他對貼片自身的諧振頻率點(diǎn)幾乎沒(méi)有影響，然而由于窄縫的存在，其自身相當于一個(gè)縫隙輻射器，又能得到一個(gè)新的諧振頻點(diǎn)，并且該頻點(diǎn)是由縫隙的長(cháng)度決 定，當這兩個(gè)諧振頻率點(diǎn)拉的很近時(shí)，就起到了擴展帶寬的效果。