雙層寬頻微帶天線(xiàn)設計

0 引言

微帶天線(xiàn)是在帶有導體接地板的介質(zhì)基片上附加導體貼片而構成的天線(xiàn)，采用微帶線(xiàn)或者同軸探針對貼片進(jìn)行饋電，在貼片和接地板之間激勵起電磁場(chǎng)，通過(guò)貼片與縫隙向外輻射。由于微帶天線(xiàn)具有體積小，剖面低，重量輕，易饋電以及易與載體共形安裝等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應用于測量和通訊各個(gè)領(lǐng)域。但是，由于微帶天線(xiàn)是一種諧振式天線(xiàn)，高Q 特性也就決定了其輸入阻抗對頻率變化很敏感，導致了貼片天線(xiàn)的頻帶較窄( 一般頻帶的相對帶寬只有 2%~ 5%) 。

對于工作在北斗頻段的微帶天線(xiàn)而言，由于帶寬較窄，所以對工作頻點(diǎn)的準確性有很高的要求，外界環(huán)境的微小變化都有可能使得頻點(diǎn)發(fā)生漂移，導致天線(xiàn)無(wú)法正常工作，為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以擴寬微帶天線(xiàn)在頻點(diǎn)周?chē)念l帶，這樣即使發(fā)生了頻點(diǎn)漂移，天線(xiàn)的工作頻點(diǎn)依然可以保持在天線(xiàn)的工作帶寬范圍內。

針對擴寬微帶天線(xiàn)的頻帶問(wèn)題，已經(jīng)有了很多設計方法: 增加介質(zhì)基板的厚度，但這樣會(huì )引入表面波損耗;減小介質(zhì)的相對介電常數，但是會(huì )使基板的尺寸加大;增加寄生單元，同樣會(huì )使基板的面積加大; 增加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò ); 縫隙耦合饋電; 采用多層結構等。

本文采用在雙層貼片間加入空氣層的結構，利用兩個(gè)貼片之間的相互耦合作用，產(chǎn)生兩個(gè)相近的諧振頻率點(diǎn)，從而達到增加微帶天線(xiàn)頻帶寬度的目的。下面對該微帶天線(xiàn)結構、理論和仿真結構進(jìn)行論述，并在最后給出了結論。

1 微帶天線(xiàn)的設計

1. 1 雙層微帶天線(xiàn)的結構

微帶天線(xiàn)的結構如圖1 所示，與傳統微帶天線(xiàn)采用同軸探針對貼片進(jìn)行饋電不同，本文采用了正交微帶線(xiàn)對貼片進(jìn)行饋電，這樣既可以避免因為同軸探針的使用而引入電感，對天線(xiàn)的阻抗匹配帶來(lái)不便，也可以簡(jiǎn)單地實(shí)現天線(xiàn)的圓極化功能。兩條正交微帶線(xiàn)的寬度相同，均為W1。此外，從圖中可以看到，在兩個(gè)貼片之間加入了空氣層，使其起到降低介電常數的作用，從而達到增加頻帶寬度的目的。

圖1 雙層微帶天線(xiàn)的俯視圖與側視圖。

1. 2 雙層微帶天線(xiàn)的理論分析

具體的推導步驟如下，假設下層貼片的諧振頻率為f 01 ，邊長(cháng)為L(cháng)e1 ，上層貼片的諧振頻率為f 02 ，邊長(cháng)為L(cháng)e2 ，有:

式中: c 為自由空間中的光速。

式中: ε1 和ε2 分別代表底層介質(zhì)基板的相對介電常數和上層介質(zhì)基板的相對介電常數; h1 代表底層介質(zhì)基板的厚度; h2 代表空氣層的厚度。

式中: L ei 與L i 分別表示貼片的實(shí)際邊長(cháng)和貼片的伸長(cháng)量; εei 為有效介電常數。

1. 3 雙層微帶天線(xiàn)的尺寸參數

本文采用的基板是T ACNIC 公司的介質(zhì)基板,1 = 2. 65，h = 0. 5 mm。其中，上貼片L 2 = 95 mm，下貼片L 1 = 70 mm; 底層介質(zhì)基板的厚度為h1 = 1 mm,中間空氣層的厚度為h2 = 13 mm，介電常數為2 = 1 0( 也可以采用介電常數接近于1 的泡沫材料代替空氣層，本文選擇用空氣層來(lái)達到降低有效介電常數的目的) 。經(jīng)過(guò)多次仿真實(shí)驗，發(fā)現當W1 = 6. 4 mm 時(shí),微帶天線(xiàn)可以得到較好的阻抗匹配。

1. 4 雙層微帶天線(xiàn)的仿真結果與分析

根據上述各個(gè)參量值，采用A nsoft 公司的HFSS對本文所設計的微帶天線(xiàn)進(jìn)行了仿真，仿真結果如下:

圖2 給出了S11= - 10 dB 時(shí)的微帶天線(xiàn)的頻帶展寬情況，圖3 則給出了VSWR = 2 時(shí)，微帶天線(xiàn)的頻帶展寬情況。

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圖2 S11 =- 10 dB 時(shí)，微帶天線(xiàn)的頻帶展寬情況。

圖3 VSWR =2 時(shí)，微帶天線(xiàn)的頻帶展寬情況。

從圖2，圖3 中可以看出，微帶天線(xiàn)的工作頻帶在1. 206~ 1. 346 GHz 之間，中心頻率為1. 276 GHz，與北斗頻點(diǎn)1. 268 GHz 相距很近，頻帶寬度達到了BW=140 MHz，相對寬度為11. 04%，遠遠超過(guò)了普通微帶矩形貼片天線(xiàn)的工作帶寬的范圍( 一般普通的微帶天線(xiàn)相對帶寬在2% ~ 5% 左右) 。適當的調整空氣層的厚度還可以控制諧振點(diǎn)的變化。此外，從圖2，圖3 中還可以看到，在工作的頻帶范圍內有2 個(gè)諧振頻點(diǎn)，這是由上，下2 個(gè)貼片各自諧振而引起的，可見(jiàn)雙層貼片可以產(chǎn)生兩個(gè)諧振點(diǎn)，進(jìn)而可以有效地達到展寬微帶天線(xiàn)頻帶的目的。

由圖4 可以看到，雙層微帶天線(xiàn)的增益達到了5. 2 dB，較之傳統的微帶天線(xiàn)增益有少許增加，由此可見(jiàn)，雙貼片的微帶天線(xiàn)在提高增益方面也有一定的貢獻。若要大幅度提高微帶天線(xiàn)的增益，則可以在頂層貼片上再覆蓋一層ε r》 1 的介質(zhì)基板即可。

從圖5 中可以看出，微帶天線(xiàn)的部分軸比小于3 dB，從而實(shí)現了天線(xiàn)的圓極化，但是微帶天線(xiàn)的最大輻射方向偏離軸向，天線(xiàn)的軸向比變差。該微帶天線(xiàn)基本可以滿(mǎn)足圓極化的要求。

圖4 微帶天線(xiàn)的增益。

圖5 微帶天線(xiàn)的軸比仿真圖。

2 結 論

針對微帶貼片天線(xiàn)頻帶較窄的特點(diǎn)，本文提出了一種利用正交微帶線(xiàn)進(jìn)行饋電的雙貼片微帶天線(xiàn)結構。

在VSWR=2 時(shí)，頻帶范圍在1. 206~ 1. 346 GHz之間,帶寬達到了140 MHz，相對帶寬達到了11. 04%。在工作頻段內，天線(xiàn)的增益有稍許提高，軸比可以接受，所以此天線(xiàn)結構是一種比較經(jīng)濟實(shí)用的微帶天線(xiàn)結構。