AMPS頻段低剖面寬帶微帶天線(xiàn)的設計

1引言

現代無(wú)線(xiàn)通信系統中，通常要求天線(xiàn)具有9%左右的工作帶寬， 如AMPS頻段(824-894MHz)的帶寬為8.1%,GSM頻段(890-960MHz)為7.6%,以及DCS頻段(1710-1880MHz)為9.5%。同時(shí)，在個(gè)人移動(dòng)通信以及其他小型的移動(dòng)通信系統中，通常要求天線(xiàn)小型化，即天線(xiàn)具有較小的橫向尺寸以及較低的剖面高度。然而，對于工作在較低的微波頻率下的微帶天線(xiàn)，如AMPS，GSM，以及DCS頻段，其物理尺寸通常會(huì )較大，以至于不能完全應用在小型通信系統中。因此，設計出小型化（這里特別強調天線(xiàn)的低剖面特性）的寬帶微帶天線(xiàn)是目前微帶天線(xiàn)研究中的熱點(diǎn)之一。

近年來(lái)，小型寬帶微帶天線(xiàn)的相關(guān)設計方法層出不窮。各種開(kāi)槽加載設計方法可以有效地減小天線(xiàn)的尺寸和提高天線(xiàn)的帶寬。然而，幾乎所有的開(kāi)槽加載技術(shù)，如U形槽，V形槽和E形槽，通常要求介質(zhì)層與地板之間具有至少0.06λ0的空氣層厚度。使用L形探針饋電是另一種有效的改善天線(xiàn)帶寬的方法，然而，正如指出的那樣，該方法需要至少0.08λ0的介質(zhì)層厚度。另外，寬帶微帶天線(xiàn)的小型化也經(jīng)常使用短路探針和短路壁的方法，但由于這種短路技術(shù)會(huì )造成天線(xiàn)增益的大幅下降，這使得在要求遠距離通訊的系統中并不適用。鑒于同樣的原因，雖然貼片電阻加載技術(shù)可以得到較小的天線(xiàn)尺寸和較大的阻抗帶寬，貼片電阻帶來(lái)的歐姆損耗在一定程度上也限制了該技術(shù)在遠距離通信系統中的應用。

隨著(zhù)現代無(wú)線(xiàn)通信系統的快速發(fā)展，低剖面，寬帶寬以及高增益的微帶天線(xiàn)的研究具有重要的意義。顯然，中的設計方法并不能很好地同時(shí)滿(mǎn)足這些要求。據作者所知，在不使用會(huì )造成增益下降的技術(shù)如短路加載，貼片電阻加載的前提下，有關(guān)提高低剖面微帶天線(xiàn)帶寬的方法研究在國內外報道中并不多見(jiàn)。本文的研究目的就在于尋求一種既不降低天線(xiàn)增益，卻能同時(shí)提高天線(xiàn)帶寬和降低天線(xiàn)剖面高度的有效設計方法。

本文提出了一種新型寬帶低剖面微帶天線(xiàn)的設計方法。該天線(xiàn)采用同軸饋電，輻射貼片為傳統的E形貼片。介質(zhì)層的下表面印刷有分布式LC電路，該電路通過(guò)探針與E形輻射貼片有電連接。在該天線(xiàn)中，低剖面特性所引起的小探針電感由LC電路中的分布式電感得到補償，因此有效地降低了空氣層厚度。同時(shí)，通過(guò)合理地設計LC電路，可以使LC電路的諧振頻率與E形貼片的固有諧振頻率相靠近，從而有效地展寬天線(xiàn)的帶寬。

2低剖面寬帶E形貼片微帶天線(xiàn)設計

傳統的E形貼片天線(xiàn)的結構如圖1所示，該E形貼片印刷在εr=4.3,厚度h=0.16cm,介質(zhì)損耗為tanδ=0.02的FR4介質(zhì)板上。該天線(xiàn)采用探針饋電，介質(zhì)層與地板之間的空氣層厚度為?=2cm。貼片四周的金屬壁與地板相連，用于提高天線(xiàn)的前后比。圖2所示的天線(xiàn)輸入阻抗在Smith圓圖上的位置表明：a)當空氣層厚度為2cm時(shí)，天線(xiàn)在整個(gè)頻段內具有良好的阻抗匹配；b)當空氣層厚度降至?=1.2cm時(shí)，由于探針長(cháng)度的縮短，使得探針電感降低，同時(shí)E形貼片與地板之間的電容增強，因此輸入阻抗偏容性，阻抗失配。從以上兩點(diǎn)分析容易看出：a)如果在保持空氣層厚度較小的條件下(?=1.2cm)，能夠在天線(xiàn)結構中引入新的電感分量用于補償空氣層厚度降低造成的探針電感降低，那么天線(xiàn)的低剖面特性就容易實(shí)現；b)如果新引入的電感分量可以與一個(gè)適當的容性分量形成簡(jiǎn)單的LC回路，使得該諧振電路的諧振頻率與原E形貼片的諧振頻率相靠近，那么天線(xiàn)的帶寬就可以進(jìn)一步展寬。

圖1傳統E形貼片微帶天線(xiàn)結構圖

圖2不同空氣層厚度下傳統E形貼片微帶天線(xiàn)的輸入阻抗

基于上述兩點(diǎn)分析，在介質(zhì)板的背面引入一個(gè)分布式LC電路，該LC電路包含一個(gè)圓形貼片和一個(gè)簡(jiǎn)單的螺旋電感。螺旋電感用于補償空氣層厚度降低引起的較小的探針電感，而圓形貼片可以與輻射貼片和地板形成新的電容分量，并與新的電感分量一起形成新的諧振點(diǎn)。該LC回路通過(guò)探針與輻射貼片通過(guò)過(guò)孔進(jìn)行電連接，詳細設計參數以及側視結構圖如圖3所示。

（a）LC諧振電路結構圖

(b)新型低剖面寬帶天線(xiàn)的側視結構圖

圖3