一種Ku波段寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)

王 鵬， 李民權(quán)， 付 燦， 金秀梅

（1.安慶師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，安徽 安慶 246011；2.安徽大學(xué) 計(jì)算智能與信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230039）

微帶天線的概念最早是由德尚教授（G.A.Deschamps）提出的，由于其體積小、質(zhì)量輕、剖面低、且易于加工和電路集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，在雷達(dá)和通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是其固有的頻帶窄，功率容量低，限制了在諸多方面的應(yīng)用［1］。近年來(lái)許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)如何擴(kuò)展微帶天線的帶寬問(wèn)題做了大量研究，也提出了許多行之有效的方法。具體可以歸納為以下幾個(gè)方面［2］：① 對(duì)于微帶天線的介質(zhì)基板可采取增加基板厚度，使用低介電常數(shù)或損耗較大的材料，或?qū)⒔橘|(zhì)基片變形成梯形或楔形，還可以采用非線形材料如鐵氧體介質(zhì)；② 對(duì)于輻射貼片和接地板，可在其上開(kāi)縫以降低天線Q值，或采用多層貼片諧振；③ 對(duì)于饋電方式，可選用耦合饋電方式，增加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等［3］。在一般情況下，可以根據(jù)天線的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，靈活采用多種擴(kuò)展天線帶寬的方法，以達(dá)到滿意的效果。

本設(shè)計(jì)采用口徑耦合饋電方式以擴(kuò)展天線帶寬，該方法最早是由文獻(xiàn)［4］提出的。與傳統(tǒng)的饋電方式如同軸底饋和微帶側(cè)饋相比，縫隙耦合饋電方式具有許多優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了微帶天線低剖面、緊湊的天線結(jié)構(gòu)，有利于電路的集成；由于饋電部分和輻射貼片不在一個(gè)平面上，可以有效抑制饋電結(jié)構(gòu)對(duì)天線方向圖的寄生輻射影響，合理設(shè)置耦合縫隙的結(jié)構(gòu)能夠提高天線的阻抗帶寬。文獻(xiàn)［5］利用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)不同形狀的耦合縫隙進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明開(kāi)H型耦合槽可以獲得較大的耦合量，提高天線的阻抗帶寬，改善天線的交叉極化性能；文獻(xiàn)［6］報(bào)道了一種使用H型槽耦合饋電的微帶天線獲得了寬頻帶和高增益的良好效果；文獻(xiàn)［7］利用修改H型槽結(jié)構(gòu)從而獲得了良好的極化特性和寬頻帶特性。

在以上研究的基礎(chǔ)上，本文改進(jìn)了前述單H形槽耦合饋電的天線結(jié)構(gòu)，在H型槽耦合饋電的基礎(chǔ)上，于輻射貼片邊緣處開(kāi)縫。由于貼片邊緣縫隙的存在而引入了新的諧振頻率點(diǎn)，從而更大程度地展寬了天線的帶寬。窄縫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。此外，在接地板背面引入微帶反射板，可以減小由耦合槽引起的背向輻射，以提高天線的增益和改善天線方向圖的前后比。仿真結(jié)果表明這種新結(jié)構(gòu)的微帶天線在中心頻率14.5GHz能夠達(dá)到39.8%的阻抗帶寬（S11＜－10dB）。這表明該結(jié)構(gòu)能夠有效地展寬微帶天線的帶寬。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1所示為這種寬帶微帶天線結(jié)構(gòu)，其由4層介質(zhì)和金屬貼片構(gòu)成，如圖1a所示，第2層介質(zhì)是相對(duì)介電常數(shù)為1.06的泡沫塑料，起支撐作用，另外3層介質(zhì)均是相對(duì)介電常數(shù)為2.2的Rogers RT／duroid 5880（tm）材料，即εr0＝εr2＝εr3＝2.2，εr1＝1.06。天線最上方的介質(zhì)是天線罩，對(duì)天線的輻射貼片起保護(hù)作用，它對(duì)天線的輻射效率、方向圖以及增益都略有影響。

圖1a中的第2層和第3層是天線的主體部分。泡沫塑料對(duì)附著在其上方的輻射貼片起支撐作用，由于泡沫的相對(duì)介電常數(shù)較低，有利于展寬天線帶寬，其厚度H1對(duì)天線的帶寬也有影響，當(dāng)H1增大時(shí)，天線帶寬增加，但是天線的體積也會(huì)增加，因此需綜合考慮。

輻射貼片如圖1b所示，其長(zhǎng)度L1決定著貼片自身的諧振頻率，一般略小于λg／2（λg為諧振頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的介質(zhì)波長(zhǎng)），但是由于耦合縫隙饋電的使用，使其與理論值存在一定的偏差。貼片的寬度W1取值較大時(shí)可以增加天線的帶寬，但當(dāng)W1大于一定值時(shí)會(huì)產(chǎn)生高次模，引起場(chǎng)的畸變，天線的方向圖性能會(huì)惡化。有研究表明當(dāng)貼片的寬度是長(zhǎng)度的2倍時(shí)，天線的阻抗帶寬可以增加1.6倍左右。本文在設(shè)計(jì)時(shí)選用了較寬尺寸的貼片以增加帶寬。在貼片的2個(gè)寬邊處分別開(kāi)了矩形窄縫，縫隙靠近貼片的邊緣處且很窄，不會(huì)對(duì)貼片的自身諧振頻率產(chǎn)生影響。

圖1 微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖

貼片表面開(kāi)縫可以降低天線的Q值，有利于電磁波的輻射以增加帶寬，而且窄縫自身也相當(dāng)于一個(gè)縫隙輻射器，能夠產(chǎn)生一個(gè)新的諧振頻率點(diǎn)。該諧振頻率點(diǎn)由縫隙的長(zhǎng)度決定，當(dāng)與貼片的諧振頻率點(diǎn)靠得很近時(shí)，就可以起到展寬頻帶的作用。圖1c所示是一個(gè)開(kāi)有H型縫隙的接地板，H型縫隙是饋電使用的耦合口徑，其結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)天線的諧振阻抗和諧振頻率都有影響。文獻(xiàn)［8－9］的研究表明，la、wb長(zhǎng)度增長(zhǎng)，諧振頻率降低，諧振阻抗增加，這表明增長(zhǎng)縫隙長(zhǎng)度，饋線與貼片之間的能量耦合能力增強(qiáng)。H型槽縫隙的寬度lb、wa對(duì)天線的諧振頻率和諧振電阻也有影響，只不過(guò)影響程度小于縫隙的長(zhǎng)度。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常為了減少后向輻射，H型耦合縫隙的寬度不宜取得過(guò)大。H型縫隙的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)較多，設(shè)計(jì)自由度較大，需進(jìn)行大量的仿真優(yōu)化以獲得良好性能。

饋電部分使用50Ω的微帶饋線，如圖1c所示，可以通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)路枝節(jié)ls的長(zhǎng)度來(lái)獲得天線的阻抗匹配。饋線和接地板之間是一層介質(zhì)基片，增大介質(zhì)的介電常數(shù)可以提高電磁能量耦合效率。在天線的最下方放置了一個(gè)金屬反射板，厚度H3通常為λg／4，這樣做的好處是可以減小H型縫隙耦合饋電帶來(lái)的后向輻射，改善天線方向圖的前后比，提高天線的增益。

2 仿真及分析

在天線的設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用高頻仿真軟件HFSS進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。由以上分析可知，該天線結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，首先需要了解天線的每個(gè)參數(shù)對(duì)天線性能的可能影響，在有了定性的認(rèn)識(shí)之后，在HFSS軟件中進(jìn)行仿真優(yōu)化，經(jīng)優(yōu)化后天線的最終結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1所列。

表1 天線結(jié)構(gòu)尺寸 mm

所設(shè)計(jì)天線的回波損耗仿真結(jié)果如圖2所示，由圖可知，該天線在11.66～17.45GHz頻帶范圍內(nèi)，回波損耗S11＜－10dB，相對(duì)阻抗帶寬達(dá)到了39.8%，為普通微帶天線帶寬的8倍，優(yōu)于僅使用H型縫隙耦合饋電的微帶天線。這表明在輻射貼片表面開(kāi)矩形縫隙并使用H型縫隙耦合饋電的結(jié)構(gòu)可以有效展寬微帶天線的帶寬。

所設(shè)計(jì)天線在15GHz的方向圖如圖3所示，給出了天線的E面和H面方向圖以及各自的交叉極化方向圖。由圖3可知，該天線的交叉極化性能良好，E面和H面的交叉極化分別優(yōu)于－38dB和－28dB；天線E面和H面的方向圖前后比大于19dB和26dB；天線增益大于8dB?？梢?jiàn)在天線的底面附加一個(gè)金屬反射板，可以有效抑制天線的后向輻射，改善天線的輻射效率，提高天線的增益。這些結(jié)果顯示了該結(jié)構(gòu)微帶天線具有良好的輻射特性和電路特性，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖2 S11曲線

圖3 天線E面、H面交叉極化方向圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新型結(jié)構(gòu)的寬頻帶微帶天線，在輻射貼片邊緣上開(kāi)矩形縫隙，使用H型縫隙耦合饋電，在天線底面加金屬反射板。利用高頻仿真軟件HFSS進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果顯示該天線的阻抗相對(duì)帶寬達(dá)39.8%，交叉極化電平小于－28dB，天線方向圖前后比優(yōu)于19dB，增益大于8dB。結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)天線具有良好的寬頻諧振特性和輻射特性。

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