1 引言

從微帶縫隙天線(xiàn)的概念被提出以來(lái),由于它剖面薄、重量輕、可與載體共形、易與有源器件集成等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應用于航空、航天器通信、導航等領(lǐng)域。另一方面，隨著(zhù)通訊技術(shù)的發(fā)展，希望個(gè)人通信中的天線(xiàn)具備寬帶低輪廓特點(diǎn)，以使天線(xiàn)可以與建筑內的裝飾物相結合，實(shí)現所謂的“美化天線(xiàn)”的要求，在此方面，低輪廓的縫隙天線(xiàn)也有應用空間。為實(shí)現微帶縫隙天線(xiàn)的單向輻射，一般需采用半波長(cháng)高度的背腔來(lái)實(shí)現。近年來(lái)的工作提供了一些有效的降低背腔尺寸的方法，例如采用介質(zhì)加載或電磁帶隙結構。文獻則給出一種超低尺寸的背腔結構的微帶縫隙天線(xiàn)，其背腔高度僅為約0.025波長(cháng)。在縫隙天線(xiàn)的寬帶化方面，也有許多引人矚目的工作。

本文在上述工作的基礎上，提出了一種新型的天線(xiàn)結構，即在所訴及的超低尺寸背腔縫隙天線(xiàn)上部加入開(kāi)窗的金屬貼片，從而進(jìn)一步控制天線(xiàn)的帶寬、方向圖與增益，實(shí)現了寬帶高增益設計。

2天線(xiàn)結構

天線(xiàn)結構如下圖1所示，天線(xiàn)制作在相對介電常數為2.55厚度為1mm的聚四氟乙烯介質(zhì)基片上。在介質(zhì)基片一面的金屬板上開(kāi)一縫隙，另一面采用50歐姆微帶線(xiàn)饋電，微帶線(xiàn)在縫隙處通過(guò)過(guò)孔與開(kāi)縫金屬板短路。開(kāi)縫面下方為背腔結構，而在饋電面上部加上一開(kāi)窗的金屬貼片。背腔內、開(kāi)窗金屬片與介質(zhì)基片之間均無(wú)介質(zhì)填充。

圖1天線(xiàn)結構俯視與前視圖

設計中，通過(guò)調整各參數可以獲得需要的方向圖特性與阻抗特性。在各個(gè)參數中，背腔的長(cháng)度Ca、開(kāi)窗貼片的長(cháng)度a這兩個(gè)參數對天線(xiàn)特性影響較小，可事先選定。選取準則為Ca約為最低頻率對應的波長(cháng)，而開(kāi)窗貼片長(cháng)度a可充分覆蓋縫隙即可。

3設計與仿真

使用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS可以對上述結構進(jìn)行仿真分析與優(yōu)化設計。在設計中，可首先根據文獻與經(jīng)驗確定各參數的初始值。初始值的確定可遵循下述方式：

天線(xiàn)的工作頻段為DCS頻段，因此設計時(shí)中心頻率設定為1.8GHz，其對應的自由空間波長(cháng)為167mm。因此，參照文獻的結果，L可選取為中心頻率波長(cháng)，即167mm，W選為5mm，Ca可選為180mm，Cb為100mm，Wa、Wb分別選擇100mm與50mm，a、b則分別取為220mm與150mm，H1、H2均選為5mm。

在上述參數的基礎上，使用HFSS進(jìn)行優(yōu)化設計即可獲得較為理想的天線(xiàn)參數。優(yōu)化過(guò)程中可以發(fā)現，開(kāi)窗的大小會(huì )對天線(xiàn)的輻射方向性影響較大，開(kāi)窗過(guò)大或過(guò)小，天線(xiàn)都不能在Z軸正上方（坐標如圖1）獲得理想的增益。而縫隙長(cháng)度L則主要影響天線(xiàn)整個(gè)頻帶內增益的起伏。當其他參數固定，而L在一個(gè)波長(cháng)附近變化時(shí)，可以發(fā)現L越大，則頻率高端增益越好，反之，L越小則低端增益越高?？p隙帶度W與開(kāi)窗寬度Wb、背腔寬度Cb對天線(xiàn)的阻抗特性影響較大。例如，縫隙越寬則天線(xiàn)的阻抗帶寬越寬，然而其帶內駐波比則相應增大，反之，則阻抗帶寬變窄而帶內駐波比減小。根據這些規律，可以有目的調整各個(gè)參數，最后對開(kāi)窗貼片的高度H1、背腔高度H2進(jìn)行微調即可實(shí)現理想的方向圖與阻抗特性。

4.仿真結果與分析

最后，經(jīng)過(guò)仿真分析，確定的尺寸參數為：

a=220mm,b=180mm,Wa=86mm,Wb=40mm,L=165mm,W=3.8mm,Ca=180mm,Cb=96mm,H1=4.8mm，H2=5mm。

仿真獲得的天線(xiàn)阻抗特性如圖2所示。此處，我們將HFSS仿真獲得的結果與另外一種電磁仿真軟件CSTMicrowaveStudio仿真獲得的結果進(jìn)行了對比，發(fā)現二者基本一致，證實(shí)了仿真結果的可靠性。仿真結果顯示，在1.7－2.05GHz頻段，天線(xiàn)VSWR2.5，具備較好的寬帶特性，可完全覆蓋DCS頻段。

圖2天線(xiàn)駐波比特性

圖3給出了天線(xiàn)在各個(gè)頻率上仿真獲得的輻射方向圖。結果顯示天線(xiàn)在此頻段可以獲得最高11.2最低8.5dB的增益。