L型探針饋電的微帶天線的仿真研究與設(shè)計(jì)＊

王淵博，宋 錚，吳 偉

（電子工程學(xué)院脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230037）

0 引言

微帶天線經(jīng)過(guò)30多年的不斷發(fā)展，已經(jīng)在衛(wèi)星通信、雷達(dá)、遙感、導(dǎo)彈遙控、電子對(duì)抗、醫(yī)用設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但如何提高微帶天線的性能依然是研究者們不斷追求的目標(biāo)。饋電方式是影響微帶天線性能的一個(gè)重要方面。微帶天線常見(jiàn)的饋電方式主要有探針饋電、微帶線饋電還有孔縫耦合饋電等。其中探針饋電在微帶天線中是用的比較多的一種饋電方式。對(duì)于介質(zhì)層比較厚的微帶天線采用探針饋電，由于探針比較長(zhǎng)，導(dǎo)致天線輸入阻抗的電感性加強(qiáng)，影響天線的帶寬。為了克服這一缺點(diǎn)，可以采用脊型地板技術(shù)[1]，另外采用L型探針饋電也可以有效的克服這一影響[2]。與其他展寬頻帶技術(shù)相比，采用L型探針饋電通常介質(zhì)層是空氣層或?yàn)榕c空氣介電常數(shù)差不多的泡沫，因此具有重量輕、方便、易于制作、成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前L型探針饋電已經(jīng)應(yīng)用于微帶天線的設(shè)計(jì)中[3－5]。

文中主要是采用矩量法對(duì)L型探針饋電進(jìn)行研究，目的是想要得到它對(duì)基本微帶結(jié)構(gòu)性能的影響具有那幾方面的因數(shù)，以期對(duì)L型探針饋電微帶天線的設(shè)計(jì)提供一些指導(dǎo)。并最后設(shè)計(jì)一副頻率覆蓋通信衛(wèi)星下行傳輸信號(hào)頻段3.2～4.4GHz的帶有介質(zhì)層的L型探針饋電的微帶天線。

1 天線基本模型

對(duì)于介質(zhì)厚度為h，天線工作頻率為f的矩形微帶天線，根據(jù)文獻(xiàn)[6]計(jì)算矩形貼片的寬度和長(zhǎng)度的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式（1）、式（2）中：c為光速，εe為等效介電常數(shù)且有：

根據(jù)式（1）～式（4），設(shè)計(jì)天線的基本模型如圖1所示，金屬地板的大小為Gw×Gl＝100mm×100mm，金屬貼片的大小為W×L＝30mm×24mm，介質(zhì)層為空氣，金屬貼片用泡沫板固定，泡沫板的介電常數(shù)與空氣的差不多為εr＝1.06，探針半徑為r＝0.5mm，距貼片邊的距離S＝2mm。天線的工作頻率為f0＝5GHz，相應(yīng)的波長(zhǎng)λ0＝0.06m。

圖1 天線的基本模型

2 天線的MOM分析

根據(jù)等效原理建立求解天線的電場(chǎng)積分方程為：

其中：J為等效電流，Ei為激勵(lì)源產(chǎn)生的電場(chǎng)，且：

將等效電流利用RWG函數(shù)[7]展開(kāi)：

采用伽遼金法對(duì)方程進(jìn)行離散有：

金屬地板以及金屬貼片采用平面三角形進(jìn)行剖分建模，而對(duì)于探針的建模通常有兩種方式：細(xì)帶等效[8]和立方柱體等效[9]，如圖2所示。

細(xì)帶與金屬底板的公共邊對(duì)應(yīng)3對(duì)三角面對(duì)，即三角形m與三角形p、三角形m與三角形n、三角形p與三角形n，具體計(jì)算過(guò)程中為了避免重復(fù)需要去掉三角形m與三角形p面對(duì)，對(duì)剩余的兩個(gè)面對(duì)公共邊施以δ函數(shù)發(fā)生器。同樣立方柱體底端4條邊每條邊均對(duì)應(yīng)3對(duì)三角面對(duì)，由于電流僅分布于柱體表面，故柱體底面與其側(cè)面所形成的面對(duì)應(yīng)去掉。δ電壓源則加在柱體與金屬底板構(gòu)成4條公共邊上，為了保證電流的流向符合實(shí)際饋電情況，規(guī)定位于金屬底板上的三角形為正三角形，柱體表面的為負(fù)三角形。

圖2 探針等效

下面就以上兩種等效方法對(duì)L型探針進(jìn)行等效，計(jì)算圖1所設(shè)計(jì)的天線取Lv＝9mm，Lh＝0.7mm，H＝6mm （0.1 λ0），并與HFSS、FEKO仿真軟件仿真結(jié)果進(jìn)行比較，如圖3所示，從中可以看出無(wú)論是細(xì)帶等效還是立方柱體等效與HFSS、FEKO仿真軟件仿真結(jié)果均相差很多，這是由于L型探針饋電是通過(guò)耦合作用于金屬貼片，細(xì)帶和立方柱體不能用于等效L型探針饋電，不能夠準(zhǔn)確描述探針和金屬貼片之間的耦合作用。至于HFSS與FEKO的結(jié)果存在差異是由兩者的計(jì)算方法不同且饋電的處理不同引起的。

圖3 細(xì)帶及立方柱體等效結(jié)果與HFSS、FEKO結(jié)果的比較

圖4 直接剖分結(jié)果與HFSS、FEKO結(jié)果比較

為了準(zhǔn)確模擬探針和金屬貼片之間的耦合作用，需要保持探針的結(jié)構(gòu)不能改變，故將圓柱形探針的外表面直接用三角形剖分建模。探針與金屬底板接觸處的饋電處理和立方柱體的處理方法相同。仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示，通過(guò)與HFSS以及FEKO對(duì)比，可以看到三者結(jié)果吻合得較好，尤其是同F(xiàn)EKO仿真結(jié)果的吻合，這說(shuō)明了文中計(jì)算程序是正確的。

3 天線參數(shù)分析

在天線基本結(jié)構(gòu)不變的情況下，即地板大小、貼片大小、饋電點(diǎn)位置以及所采用的介質(zhì)相同，L型探針饋電的微帶天線與普通探針饋電的微帶天線相比，導(dǎo)致性能上的差異主要來(lái)自受H、Lv、Lh取值的影響。下面就對(duì)H、Lv、Lh的取值做具體分析。

3.1 H的取值影響

采用L型探針饋電目的就是抵消普通探針饋電由于介質(zhì)層較厚所產(chǎn)生的較大電感，使天線達(dá)到較大帶寬。取Lv＝9mm，Lh＝0.7mm，對(duì)H取不同的值分別對(duì)兩種天線進(jìn)行仿真對(duì)比，仿真結(jié)果如表1所示。

表1 H的取值影響

從表1仿真結(jié)果來(lái)看，不是在H取任何值L型探針饋電的微帶天線都優(yōu)于普通探針饋電的微帶天線，在Lv、Lh一定的情況下，當(dāng)H ≤0.07λ0時(shí)，采用L型探針饋電對(duì)微帶天線的帶寬改善不大，而且天線的工作頻率也不同，L型探針饋電天線的工作頻率較低；當(dāng)H≥0.08λ0時(shí)，采用L型探針饋電對(duì)微帶天線的帶寬有明顯的改善。這也說(shuō)明了只有當(dāng)H取值較大時(shí)，從試驗(yàn)來(lái)看當(dāng)H≥0.08λ0時(shí)，采用L型探針饋電對(duì)改善天線的性能具有較大幫助。尤其是當(dāng)由于介質(zhì)層太厚采用普通探針饋電導(dǎo)致天線根本無(wú)法匹配的情況下，采用L型探針饋電可以極大改善天線的工作帶寬，如果要求S11＜－10dB，相對(duì)帶寬可以達(dá)到30%以上。這也符合文獻(xiàn)[2]的試驗(yàn)結(jié)果。

3.2 Lv、Lh 的取值影響

由于抵消電容的大小同時(shí)與Lv、Lh有關(guān)，下面同時(shí)考慮Lv、Lh的變化對(duì)采用L型探針饋電的微帶天線的影響。取 H ＝6mm （0.1 λ0）。Lv、Lh的單位為mm，帶寬BW用 （fmin、fmax）x%表示，其中fmin、fmax分別為低頻點(diǎn)和高頻點(diǎn)，單位為GHz，x%為相對(duì)帶寬。計(jì)算結(jié)果如表2所示，從中可以得到以下結(jié)論：

1）由于抵消電容的大小與Lv成正比，與Lh成反比，故天線帶寬與Lv、Lh的取值密切相關(guān)。天線帶寬的高頻端fmax主要受Lv的影響，fmax隨Lv增大而減?。惶炀€帶寬的低頻端fmin主要受Lh的影響，fmin隨Lh增大而增大；由于H一定，當(dāng)Lv變大時(shí)，為使天線帶寬達(dá)到最大，Lh取值也較大，這樣就使天線的最大帶寬隨著Lv、Lh的增大而減小。而從MOM計(jì)算結(jié)果來(lái)看，Lv、Lh也不能取值過(guò)小，這樣會(huì)使天線的最大帶寬被分割。

表2 Lv、Lh的取值影響

2）圖5所示為當(dāng)Lv＝9mm，Lh分別取1.5mm，0.7mm，0.3mm時(shí)的電抗特性曲線。從圖中可以看到，當(dāng)Lh＝1.5mm時(shí)，天線工作在4.3～4.6GHz，位于電抗的前上升段，電抗呈現(xiàn)容性；當(dāng)Lh＝0.3mm時(shí)，天線工作在4.8～5.5GHz，位于電抗的后上升段，電抗呈現(xiàn)感性；而當(dāng)Lh＝0.7mm時(shí)，天線工作在4.0～5.7GHz，位于電抗的中間段，電抗特性隨著頻率的升高由感性向容性變化。由此可以得到，當(dāng)L型探針饋電微帶天線的帶寬由于容抗偏大而限制天線帶寬時(shí)，可以增加探針的高度即減小Lh，使感抗增加，從而增大天線帶寬；相反當(dāng)L型探針饋電微帶天線的帶寬由于感抗偏大而限制天線帶寬時(shí)，可以減小探針的高度即增加Lh，使感抗減小，從而增大天線帶寬。

3）圖 6 所示為 當(dāng) Lh＝ 0.9mm，Lv分別取7.2mm、9mm、13mm時(shí)的電抗特性曲線，其中當(dāng)Lv＝13mm時(shí)，天線工作在4.6～5.2GHz。從中可以得到和2）中相似的結(jié)論：當(dāng)L型探針饋電微帶天線的帶寬由于容抗偏大而限制天線帶寬時(shí)，可以增加探針的臂長(zhǎng)即增加Lv，使容抗減小，從而增大天線帶寬；相反當(dāng)L型探針饋電微帶天線的帶寬由于感抗偏大而限制天線帶寬時(shí)，可以減小探針的臂長(zhǎng)即減小Lv，使容抗增加，從而增大天線帶寬。

4）當(dāng)Lv一定時(shí)，如圖5所示，電抗隨著Lh的增大而整體減小，這是由于Lh增大，探針高度變低，引起的感抗減小，同時(shí)L型探針與貼片產(chǎn)生的抵消電容減小，引起的容抗變大，導(dǎo)致電抗曲線隨Lh的增大而下移；當(dāng)Lh一定時(shí)，如圖6所示，電抗會(huì)隨著Lv的增大而整體增大，這是由于Lv增大，使L型探針與貼片產(chǎn)生的抵消電容增大，引起的容抗變小，導(dǎo)致電抗曲線隨Lv的增大而上移。

圖5 Lv＝9mm電抗特性曲線

圖6 Lh＝0.9mm電抗特性曲線

4 帶有介質(zhì)層的L型探針饋電的微帶天線設(shè)計(jì)

通過(guò)以上對(duì)L型探針的結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，可以看到對(duì)于厚介質(zhì)的微帶天線采用L型探針饋電可以有效的增加天線的帶寬，影響天線匹配的主要參數(shù)是L型探針的高度以及其彎折臂的長(zhǎng)度，通過(guò)合理的調(diào)節(jié)其高度及其臂長(zhǎng)就能使天線達(dá)到匹配從而增加天線帶寬。在以上只有空氣層的基礎(chǔ)上，在金屬貼片下面加一厚度為h的介質(zhì)層，且為了方便L型探針彎折部分采用金屬片結(jié)構(gòu)，其寬度為2mm，設(shè)計(jì)天線尺寸為Gw×Gl＝40mm×40mm，W×L＝22mm×22mm，H＝10mm，h＝2mm，Lh＝1.5mm，Lv＝10mm的帶介質(zhì)層的L型探針饋電的微帶天線。利用MOM對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算并與HFSS軟件結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如圖7所示，可以看到通過(guò)采用L型探針饋電，天線帶寬得到了很好改善，能夠覆蓋3.2～4.4GHz頻段，可作為通信衛(wèi)星的下行傳輸信號(hào)頻段，而如果采用直接探針饋電則很難使天線達(dá)到匹配。

圖7 帶介質(zhì)層的L型探針饋電的微帶天線仿真結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

文中采用矩量法，對(duì)不同介質(zhì)厚度的微帶天線進(jìn)行了仿真分析，得到當(dāng)介質(zhì)厚度大于0.8λ0（λ0為天線的中心工作頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)）時(shí)，采用L型探針饋電可以有效增加天線帶寬，如果要求S11＜－10dB，相對(duì)帶寬可以達(dá)到30%以上?？梢?jiàn)L型探針饋電是一種有效的饋電方式，有利于提高厚介質(zhì)微帶天線的帶寬。文中同時(shí)分析了L型探針高度和臂長(zhǎng)對(duì)天線性能的影響，得出可以通過(guò)判斷天線阻抗的容感性，適當(dāng)調(diào)整Lv、Lh就使天線達(dá)到匹配，增加帶寬。在文中最后設(shè)計(jì)了一副頻率覆蓋3.2～4.4GHz的帶有介質(zhì)層的L型探針饋電的微帶天線，可作為通信衛(wèi)星的下行傳輸信號(hào)頻段。

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