微帶貼片天線的仿真與測量實驗設(shè)計

高博

摘要：本文以一種典型的微帶貼片天線教學(xué)為例，從理論、仿真設(shè)計以及實驗測試三方面對相關(guān)教學(xué)環(huán)節(jié)和步驟進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。理論設(shè)計部分重點介紹了設(shè)計貼片尺寸和進(jìn)行阻抗匹配的方法。仿真環(huán)節(jié)介紹了模型、網(wǎng)格及收斂能量的設(shè)置。實驗環(huán)節(jié)簡要介紹了天線的簡易測量系統(tǒng)和測試結(jié)果。

關(guān)鍵詞：微帶天線；CST；天線測試

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）25-0274-02

一、概述

微帶貼片天線[1-2]，可以通過光刻腐蝕的方法制成。相比于常規(guī)的天線來說，其重量輕、體積小、剖面薄、制造成本低、易于大量生產(chǎn)，饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可與天線同時制作，有著極為廣泛的應(yīng)用前景。因此在天線相關(guān)課程中，非常有必要設(shè)置以典型的矩形貼片天線設(shè)計為目標(biāo)的教學(xué)實驗課程。本文將從基本原理、設(shè)計步驟及測量方法等方面對矩形貼片天線的實驗教學(xué)過程進(jìn)行詳細(xì)介紹。

二、微帶矩形貼片天線理論設(shè)計步驟

貼片天線的理論設(shè)計步驟，可分為5步：第一步，基片選擇。①選擇低介電常數(shù)基板，可增強(qiáng)邊緣場，但波長的增加會導(dǎo)致天線尺寸增大；選擇高介電常數(shù)基片可使得天線尺寸減小，但也會造成其工作帶寬的降低；②介質(zhì)基板較厚，可增大天線的帶寬和效率，但不能到激勵起高次模。介質(zhì)基板的厚度需滿足第四步，饋電方式的選擇。微帶貼片天線常見的饋電方式有兩種，在這一步可以對兩種饋電方式的優(yōu)缺點進(jìn)行講解，并讓同學(xué)展開討論。微帶饋電，其由微帶線直接對貼片進(jìn)行饋電。饋電點的位置可以進(jìn)行偏移。饋電點位置發(fā)生變化（尤其是饋電點在貼片寬邊），其對應(yīng)的輸入阻抗會發(fā)生較大變化，因此這也提供了一種阻抗匹配的方法。這種饋電方式最大的優(yōu)點在于饋電導(dǎo)線與貼片處于同于平面，便于集成。同軸饋電，將同軸線的外導(dǎo)體焊接在微帶貼片天線的地板上，將內(nèi)導(dǎo)體穿過介質(zhì)基板焊接在貼片上。這種饋電方式的優(yōu)點是很容易通過調(diào)整饋電位置實現(xiàn)阻抗匹配。缺點，同軸饋電陣列天線很有很多焊點，這會降低系統(tǒng)的可靠性，提升其制造難度。另外為了增加天線帶寬使用厚介質(zhì)基片，會增長同軸探針的長度，從而引起探針輻射、表面波輻射等。第五步，阻抗匹配。不同饋電方式，阻抗匹配[3]的方法不同。同軸饋電，可通過調(diào)整饋電點在貼片上所處的位置來實現(xiàn)阻抗匹配。沿著貼片寬度方向變化時，其阻抗變化最為敏感。微帶線饋電，可調(diào)整其饋電點在貼片邊緣的位置，并且還可以通過在饋電點開槽的方式進(jìn)行阻抗匹配。微帶矩形貼片天線仿真設(shè)計步驟：

由于理論計算近似較多，還需對各個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。這里采用CST仿真軟件[4]，步驟如下：第一步，建立如圖1所示的微帶貼片模型。本例中采用了微帶線的中心饋電的方式，饋線阻抗選擇100歐姆，該值更便于以后的實驗課程中開展天線陣列的設(shè)計。第二步，調(diào)整開槽的長寬，觀察微帶貼片天線的輸入阻抗隨著槽的寬度和深度的變化情況。根據(jù)觀察到的規(guī)律，設(shè)置合適的槽寬和深度，使得此時微帶貼片天線的輸入阻抗的實部為100歐姆左右。注意：需要利用CST的自適應(yīng)網(wǎng)格功能，以保證計算結(jié)果的精度。網(wǎng)格自適應(yīng)前后諧振頻率會有一定偏差。收斂能量的設(shè)置，不會影響諧振位置，但阻抗實部峰值的大小會受到較大影響。第三步，由于理論計算采用了較多近似，并且加入了饋線和阻抗匹配開槽，此時貼片的諧振點必然會發(fā)生一定的偏移。因此需要對貼片的長度進(jìn)行微調(diào)，使得天線諧振在適當(dāng)?shù)念l率點。第四步，調(diào)整完畢后，對于單個貼片天線來說，還需要將它的輸入阻抗變換到50歐姆。在這里可以讓同學(xué)嘗試使用不同的阻抗匹配方法。微帶矩形貼片天線的加工及測試：

圖2給出了測量實驗的基本配置圖，包括：標(biāo)準(zhǔn)天線、被測天線、天線測試轉(zhuǎn)臺和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀[5]。由于沒有在暗室中進(jìn)行，因此測量存在較大誤差。但是作為學(xué)生實驗，測量結(jié)果仍然可以很好地反映微帶矩形貼片天線的特性，如圖3所示。

三、總結(jié)

本文以矩形微帶天線為例，詳細(xì)介紹了其在理論、仿真設(shè)計和測試實驗三方面的教學(xué)內(nèi)容和注意事項。本文內(nèi)容可以為天線類課程的實驗設(shè)計提供相應(yīng)的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]Garg R.Microstrip Antenna Design Handbook[M].Microstrip antenna design handbook.Artech House，2001.

[2]鮑爾.微帶天線[M].北京：電子工業(yè)出版社，1984.

[3]David M.Pozar.微波工程[M].第3版.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[4]金明濤.CST天線仿真與工程設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[5]JoelP.Dunsmore，陳新.微波器件測量手冊：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀高級測量技術(shù)指南[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.