一種寬帶X波段LTCC圓極化微帶天線的設(shè)計

吳同慶

（電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川 成都 610054）

微帶天線因為結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、低剖面、易與載體共形、便于后端控制電路集成等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星/導(dǎo)航以及雷達(dá)等系統(tǒng)中。圓極化微帶天線具有較強的抗干擾能力，已廣泛地應(yīng)用于電子偵察和電子對抗等領(lǐng)域[1]。然而微帶陣列天線帶寬較窄，結(jié)合低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）技術(shù)的多層基板工藝特點，采用新型結(jié)構(gòu)可以有效增大天線帶寬，便于天線和T/R組件集成。

為了提高微帶天線的帶寬，國內(nèi)外學(xué)者[2-7]提出了一系列的方法來提高微帶天線的帶寬，例如利用寄生、使用低介電常數(shù)基板等。本文在雙層貼片的基礎(chǔ)上，進(jìn)行一系列的改進(jìn)，提高天線的阻抗帶寬，并大幅度提高其圓極化帶寬。用電磁仿真軟件—高頻結(jié)構(gòu)仿真（High Frequency Structure Simulator，HFSS）軟件對該天線進(jìn)行仿真，得到了較好的阻抗帶寬和圓極化帶寬。

1 天線設(shè)計

1.1 天線陣列基本形狀的選擇

常見的貼片微帶天線形狀有三角形、矩形、圓形等。通常采用矩形貼片作為微帶陣列天線的基本單元。對于矩形微帶貼片天線，貼片長度可以根據(jù)以下理論公式進(jìn)行估算。

式中，c為光速，f是天線工作的中心頻率，W和L分別為矩形貼片天線的寬和長；?r是基板的相對介電常數(shù)，?re為基板的有效介電常數(shù)；ΔL為等效縫隙輻射長度。本文中，為了便于設(shè)計和仿真令W=L；該設(shè)計中f為10 GHz，基板相對介電常數(shù)?r為5.9，基板厚度h為1 mm；將上述參數(shù)代入公式可以估算出貼片的尺寸W和L為5.9 mm。

1.2 結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

單元結(jié)構(gòu)的改進(jìn)措施，如圖1—3所示。本文采用雙層輻射貼片，如圖1所示。這種類型的天線有多個諧振回路，通過調(diào)節(jié)上下層貼片的尺寸，可以調(diào)節(jié)諧振頻率，使天線形成多峰諧振電路。

圖1 雙層輻射貼片

然后在貼片上開對稱的矩形縫隙，如圖2所示。矩形縫隙使能對輻射貼片上的電流路徑改變量有一個很好的控制，通過改變矩形縫隙的尺寸，使天線的耦合諧振點能很好地靠近，從而實現(xiàn)增加阻抗帶寬的目的。然后調(diào)節(jié)上下層基板的厚度，不同厚度的基板對天線阻抗帶寬有著顯著的影響。

圖2 貼片上開對稱的矩形縫隙

對貼片進(jìn)行切角可以實現(xiàn)簡并正交模分離，使得兩個模阻抗相角相差90°從而實現(xiàn)圓極化，如圖3所示。本文中對上下層貼片進(jìn)行不同程度切角，對上層切較小的角，對下層切較大的角，可以有效提高軸比帶寬。

圖3 對輻射貼片進(jìn)行切角

1.3 最終天線結(jié)構(gòu)

天線單元的最終結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，上、下層基板厚度分別為h2和h1，上、下層矩形輻射貼片的邊長為p2和p1，上、下層輻射貼片的等腰直角三角形切角直角邊長分別為c2和c1，上、下層輻射貼片上開的矩形縫隙的長寬分別為sl和sw。

圖4 最終單元結(jié)構(gòu)

2 仿真結(jié)果

采用三維電磁仿真軟件HFSS對該單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真，運用控制變量法對結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)天線結(jié)構(gòu)各參數(shù)如表1所示時，得到最好的結(jié)果如圖5所示。其中，圖5（a）是反射系數(shù)S11隨頻率變化的曲線圖像，圖5（b）是天線的軸比AR隨頻率變化的曲線圖像。如圖5（a）所示，該天線單元反射系數(shù)S11在8.72～10.96 GHz內(nèi)小于-10 dB，相對阻抗帶寬為22.4%。如圖5（b）所示，當(dāng)Theta和Phi都為零時，軸比AR在9.18～10.67 GHz范圍內(nèi)小于3 dB，相對帶寬為14.9%。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)表 /mm

圖5 HFSS仿真結(jié)果

3 結(jié)語

本文在采用雙層矩形輻射貼片的基礎(chǔ)上，對矩形貼片開槽和進(jìn)行不同尺寸的切角，成功設(shè)計了一款較高阻抗帶寬和圓極化帶寬的圓極化微帶天線。該方法易于實現(xiàn)，能夠在不大幅度改變天線大小的情況下，有效提高天線的帶寬，為提高微帶天線帶寬提供了一種新思路。

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