微帶天線時域有限差分法分析

武警工程大學(xué)研究生管理大隊 王懷強(qiáng)

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微帶天線時域有限差分法分析

武警工程大學(xué)研究生管理大隊 王懷強(qiáng)

【摘要】本文闡述了微帶天線的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了微帶天線的饋電方式?；贔DTD算法對微帶印制天線進(jìn)行建模，并對其進(jìn)行了FDTD分析計算，得到E型微帶天線的S11參數(shù)，分析了計算結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】微帶天線；FDTD；建模計算

0　引言

近年來，小型化技術(shù)逐漸成為天線設(shè)計的熱點(diǎn)，天線的小型化是指在滿足天線駐波比、增益、帶寬等性能前提下，盡可能地縮小天線的尺寸，達(dá)到小型化的目的。但是，天線的性能往往取決于天線的尺寸大小，改變天線的尺寸對天線性能的影響是顯而易見的，所以天線的小型化技術(shù)式當(dāng)今天線設(shè)計的一個難點(diǎn)。微帶天線的出現(xiàn)是小型化技術(shù)發(fā)展的方向，它具有剖面低，易制作，容易與載體達(dá)到共形等特點(diǎn)。通過對微帶天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，可以改變天線的工作電流分布，進(jìn)而改變天線的性能

1　微帶天線理論

微帶天線的基本結(jié)構(gòu)是在介質(zhì)基板的正反面各鍍一層金屬薄片，采用腐蝕光刻等方法在一面金屬薄片上進(jìn)行開槽處一定形狀，另一面金屬薄片作為天線的地板。微帶天線通常的饋電方式有同軸饋電和微帶線饋電。

1.1微帶天線優(yōu)缺點(diǎn)[1]

微帶天線具有低剖面、體積小，易與載體進(jìn)行共形的特點(diǎn)，因此在飛行器、導(dǎo)彈等裝備上應(yīng)用較為廣泛，相對于傳統(tǒng)的線面天線，微帶天線具有以下優(yōu)點(diǎn)

(1) 低剖面、體積小，易與載體進(jìn)行共形，不影響載體的基本結(jié)構(gòu)，可內(nèi)化于載體內(nèi)部

(2)天線的性能參數(shù)易于設(shè)計，能滿足不同載體和工作環(huán)境需求

(3)易于集成，節(jié)省空間，降低成本

其存在的缺點(diǎn)主要有：

(1)微帶天線是窄帶器件，難于做到寬頻帶，難于實現(xiàn)寬頻帶跳頻通信。通過增大介質(zhì)基板的厚度或者是采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板可適當(dāng)增寬天線的帶寬。

(2)介質(zhì)基板的損耗大，天線的輻射效率不高，而且受天線的性能受熱效應(yīng)影響大。

(3)微帶天線的體積小，功率小，因此增益一般都比較低，而且最大增益實際上受限制（約為20dB）。

(4)介質(zhì)基板的厚度和材質(zhì)難于做到均勻分布，因此相同材料制作的微帶天線的性能可能會有較大的性能差距，因此微帶天線的組陣較為困難。

(5)天線的饋線與輻射體之間存在距離，可能存在表面波。

1.2微帶天線饋電基本方式

總體而言，微帶天線有三種饋電方式[2]：(1)同軸饋電；(2)微帶線饋電；(3)電磁耦合饋電。其中，由于微帶線饋電是將饋線與金屬進(jìn)行共面蝕刻，因此制作工藝較為簡單，易與載體達(dá)到良好共形，同時，微帶線也會起到輻射的作用，從而影響天線駐波，增益等。通常，微帶線的寬度W應(yīng)該滿足W<<λ的條件，特性阻抗不能過低，以及介質(zhì)厚度h不能過厚，介電常數(shù)不能過小。通過調(diào)整饋電點(diǎn)的位置，可以實現(xiàn)天線輸入阻抗與饋線特性阻抗的匹配。饋電點(diǎn)在金屬貼片上進(jìn)行移動時，對天線的特性阻抗影響很大，如圖1所示：

圖1　天線輸入阻抗隨饋電位置的變化

2　微帶印制天線的FDTD建模

時域有限差分法尤其適合計算天線及其他結(jié)構(gòu)的寬帶特性，能對天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的模擬，同時能模擬出天線系統(tǒng)所處的環(huán)境，并且只需一次計算便可得到天線的頻域特性[3]。FDTD算法計算天線的輸入阻抗的方法有三種：(1)通過饋線特性阻抗計算出散射系數(shù)，進(jìn)而求出天線的輸入阻抗；(2)利用FDTD網(wǎng)格剖分法模擬出饋電點(diǎn)的結(jié)構(gòu)；(3)用δ－源激勵模型法或同軸磁流環(huán)激勵模型通過傅立葉變換，得到電壓和電流的值，進(jìn)而計算出天線的輸入阻抗。其中利用FDTD網(wǎng)格法計算的結(jié)果最為精確。第一種是應(yīng)用微波電路的分析計算理論，計算過程較為復(fù)雜；第三種方法則較為簡單，但是對天線饋源的場的分布的模擬精確度較差。本文采用FDTD網(wǎng)格剖分技術(shù)模擬天線饋電的結(jié)構(gòu)。

假定在同軸線內(nèi)的電磁波是TEM波，通過傳輸線理論分析，同軸線等效稱為一維傳輸線模型，同軸線口徑上的場與外面的場相互產(chǎn)生耦合。因此，同軸線中電壓和電流的關(guān)系如下所示[4]：

式中a和b分別為同軸線內(nèi)、外半徑。再由TEM波滿足方程：

為了計算出諧振中心頻率，通常采用高斯脈沖作為激勵源，通過傅里葉變換，可以計算出上述天線參數(shù)的寬頻特征。在計算天線的方向圖時，通常采用正弦波作為激勵源，可以減少計算機(jī)的計算量。本文中，采用正弦調(diào)制高斯激勵脈沖作為激勵源，如下所示：

同軸饋電天線的FDTD網(wǎng)格劃分如圖2所示。

3　E形微帶天線結(jié)構(gòu)及其FDTD分析

圖3為本文設(shè)計的E形微帶天線的結(jié)構(gòu)，天線的長為L、寬為W、高為h。在天線的金屬貼片上蝕刻兩個平行槽，長為1，寬為W，從而拓展了天線的帶寬，縮小了天線的尺寸。本文在分析時假定天線長為70mm，寬為10mm，印制在介電常數(shù)為2.1厚為10mm的介質(zhì)板上。兩個矩形槽的作用是在原來天線的結(jié)構(gòu)上，額外增加了一個LC諧振電路結(jié)構(gòu)，因此，天線工作出現(xiàn)了兩個諧振頻率，當(dāng)諧振頻點(diǎn)接近或無縫連接時，天線的帶寬就被展寬了。文中的天線采用同軸饋電方式，饋電點(diǎn)位于兩個開槽的中間。金屬貼片中心至兩個開槽的距離為p。改變開槽的長度、寬度及ps可以改變天線的諧振頻率，進(jìn)而改變天線的帶寬。

圖2　同軸線饋電天線的FDTD網(wǎng)格劃分

圖3　E形微帶天線的結(jié)構(gòu)圖

圖4　兩種計算方法的S參數(shù)比較

圖5　同一尺寸的兩天線S參數(shù)比較

參考文獻(xiàn)

[1]Kin-Lu Wong.Compact and Bro adband Microstrip Antennas.John Wiley& Sons,2002.

[2]R.Waterhouse.Small microstrip patch antenna,Lett.(31),April 13,1995:604-605.

[3]李萍,張殿富,楊松齡.超短波印刷天線研究[J].電波科學(xué)學(xué)報,1996,11(2):67-69.

[4]John Huang.Miniaturized UHF Microstrip Antenna for a Mars Mission,IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium,2001,4(7):486-489.

王懷強(qiáng)（1992—），男，西安武警工程大學(xué)碩士研究生，主要研究方向：微波技術(shù)與天線。

作者簡介：