Ku波段背腔式蝶形縫隙天線設(shè)計

彌寶粒，張斌珍，段俊萍

（中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星通信、個人通信等更側(cè)重于重量輕、尺寸小且?guī)挻蟮奶炀€。在尺寸、重量、成本、性能和安裝條件都受限的條件下，微帶天線[1?3]和印刷縫隙天線[4?6]等小尺寸天線就非常受到青睞。在天線向著小型化、寬帶化的方向演變過程中，國內(nèi)外研究人員進行了大量的研究。目前主要通過改變饋電方式和縫隙結(jié)構(gòu)[7]提高天線的相關(guān)性能?？p隙天線通過兩導(dǎo)體之間的縫隙向外輻射，可以認為其輻射由磁流元形成，即間隙上的等效源場[8]。縫隙天線具有結(jié)構(gòu)簡單，且易于與載體表面共形的優(yōu)點。傳統(tǒng)的縫隙天線縫長為半波長，帶寬相對較窄，同時由于縫隙天線是雙向輻射的，因而增益較低，限制了其在實際工程中的應(yīng)用。為實現(xiàn)單向輻射的寬帶高增益縫隙天線，通常在縫隙一側(cè)添加反射板或反射腔[9]，組成背腔式縫隙天線[10]，抑制了雙向輻射[11]，提高了天線增益。使用寬縫天線[12]，通過改變狹縫的形狀[13]和饋電方式[14]來擴寬帶寬。

本文對微帶蝶形天線進行了改進，相對于微帶蝶形天線，天線與金屬背腔相結(jié)合，天線的增益通過在介質(zhì)基片一側(cè)添加的金屬背腔得到了提高，天線的輻射特性得到了相應(yīng)的改善。同時，采用共面波導(dǎo)饋電方式，進一步改善了阻抗帶寬，在蝶形縫隙中央添加金屬枝節(jié)，在共面波導(dǎo)槽線與蝶形縫隙連接處添加梯形過渡帶，適當(dāng)改變諧振頻率，展寬了天線的帶寬。經(jīng)過仿真得到，端口回波損耗小于-10 dB時，阻抗帶寬可以達到1.06 GHz，最大增益為7.62 dBi。本文還分析了蝶形縫隙結(jié)構(gòu)以及介質(zhì)基板對天線帶寬和天線輻射性能的影響。

1 設(shè)計及仿真

1.1 天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計

采用共面波導(dǎo)饋電方式的饋電蝶形縫隙天線的縫隙結(jié)構(gòu)如圖1 所示，介質(zhì)基板材質(zhì)為環(huán)氧樹脂（FR4），介電常數(shù)εr為4.4，電損耗角正切為0.02，厚度h=1 mm。金屬背腔的厚度為h_ca。共面波導(dǎo)的參數(shù)中心金屬寬度為t，槽線寬度為s，根據(jù)式（1）計算l和W。

圖1 Ku 波段背腔式蝶形縫隙天線初始結(jié)構(gòu)

由共面波導(dǎo)計算工具得出，中心金屬寬度t、槽線寬度s分別為1.2 mm，0.18 mm，使之與50 Ω 匹配。λ0是主頻率的波長，εr是基片材料的介電常數(shù)。Ku 波段的頻率范圍是11～18 GHz。在本次設(shè)計中，中心頻率為13 GHz，蝶形縫隙的初始尺寸l=17.6 mm，W=5.5 mm。Ku 波段背腔式蝶形縫隙天線初始相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 Ku 波段背腔式蝶形縫隙天線初始相關(guān)參數(shù)

1.2 天線仿真分析

蝶形縫隙天線的輻射性能及阻抗匹配主要受縫隙尺寸、背腔深度的影響。通過改變蝶形縫隙長度l，縫隙寬度W以及背腔的深度h_ca 進行仿真。圖2 給出了不同l，W及h_ca 的天線回波損耗曲線。

由圖2a）可知，隨著蝶形縫隙長度l逐漸增加，前一個諧振點的位置變化不大，諧振強度有所增加，后一個諧振點的強度隨著l的增加而增強，同時諧振點的位置向左偏移，天線諧振頻率與天線尺寸呈負相關(guān)關(guān)系。由圖2b）可知，隨著蝶形縫隙寬度W的減小，前一個諧振點的位置和諧振強度變化均不大，后一個諧振點的位置隨著W的減小，諧振點略向左偏移，諧振強度得到顯著增強；當(dāng)改變背腔的深度h_ca 的值時，天線的回波損耗仿真結(jié)果如圖2c）所示。只改變背腔深度h_ca的值，分別取2.5 mm，3 mm，3.5 mm，4 mm。由圖2c）可以看出，隨著背腔深度的減小，前一個諧振點逐漸向右移動，諧振強度逐漸增強。后一個諧振點位置隨著背腔深度的減小逐漸向右移動，諧振強度逐漸降低。

圖2 不同l，W 及h_ca 的天線回波損耗曲線

經(jīng)過全波優(yōu)化分析，通過分析蝶形縫隙長度、寬度、背腔深度對天線性能的影響，初步確定蝶形縫隙天線的尺寸如下：介質(zhì)板尺寸為23.6 mm×14.5 mm，中心金屬寬度s=1.2 mm，槽線寬度t=0.18 mm，背腔深度h_ca=3 mm，蝶形縫隙長度l=18.1 mm，寬度W=4.5 mm，基板厚度h_sub=1 mm。

天線的S11掃頻分析仿真結(jié)果如圖3a）所示，端口回波損耗小于-10 dB 時，阻抗帶寬達到1.06 GHz。天線的輸入阻抗分析結(jié)果如圖3b）所示，從結(jié)果中可以看出，在13 GHz 中心頻率處，天線的輸入阻抗為（51.2-j11.2）Ω，天線結(jié)構(gòu)已經(jīng)達到較為良好的匹配阻抗。天線在E 面和H 面的增益方向圖如圖3c）所示，在θ=0°時，最大增益為7.52 dBi，3 dB 波束寬度分別達到87°和61°。

圖3 仿真結(jié)果

1.3 天線頻帶優(yōu)化和小型化

就微帶天線而言，貼片或縫隙的尺寸和形狀，介質(zhì)基片的介電常數(shù)和厚度，天線的匹配網(wǎng)絡(luò)和饋電方式等都是影響其帶寬的因素。目前主要從兩個方面擴寬微帶天線的頻帶：微帶天線的結(jié)構(gòu)和外圍匹配網(wǎng)絡(luò)。具體的方法有以下幾種：

1）降低等效諧振電路品質(zhì)因數(shù)Q值

微帶天線是諧振式天線，其諧振特性可以等同于高Q并聯(lián)諧振電路。這是它頻帶相對較窄的主要因素。擴寬頻帶的一個途徑就是減小等效諧振電路的Q值。降低相對介電常數(shù)可以展寬天線的帶寬，但改變的范圍有限，其最小值為1，即采用空氣介質(zhì)。通常，使用具有低介電常數(shù)的介電材料同時增加介質(zhì)基片的厚度是增加微帶天線帶寬的有效手段。本實驗首先將介質(zhì)基板的材料更換為低介電常數(shù)的玻璃纖維聚四氟乙烯（Glass PTFE Reinf），介電常數(shù)為2.5，同時加厚介質(zhì)基片，使其厚度更換為3 mm。利用近似公式（1）求解出蝶形縫隙的長度l=23 mm，寬度W=7.3 mm。對更改了介質(zhì)基片材料厚度的天線進行仿真，端口回波損耗小于-10 dB 時，Ku 波段上的阻抗帶寬約為3.27 GHz，天線增益為8.13 dBi。通過使用介電常數(shù)較低的玻璃纖維聚四氟乙烯材料并增加介質(zhì)基片的厚度可以看出，天線的帶寬相較于原始設(shè)計帶寬得到了顯著的提高，并且增益有所提高，但是由于加厚了介質(zhì)基板不利于天線尺寸的小型化。綜合考慮舍棄這種思路。

2）增加額外諧振點：附加寄生貼片、LC 諧振電路、短路探針

通過在中心頻率附近增加額外的相鄰諧振點，可以達到展寬天線的目的。本實驗在初始尺寸的基礎(chǔ)上，在蝶形縫隙中央添加兩個金屬枝節(jié)。更改后的蝶形縫隙天線幾何形狀如圖4a）所示，金屬枝節(jié)的長度為l2，寬度為W2。取l2=6.5 mm，W2=0.5 mm，經(jīng)HFSS 軟件仿真分析得到S11回波損耗，如圖4b）所示。從圖4b）中可以看出，端口回波損耗小于-10 dB 時，天線帶寬為1.02 GHz，且兩個諧振點相互靠近，中心頻率略向左移動，在對中心頻率有特定要求時可在一定程度上拓展帶寬，同時縮小天線尺寸。

圖4 天線優(yōu)化

當(dāng)改變金屬枝節(jié)寬度W2時，分別取W2的值為0.4 mm，0.5 mm，0.6 mm。從圖5a）可以看出，諧振強度隨W2的增加而增加，諧振點略向左移。當(dāng)改變金屬枝節(jié)的長度l2時，分別取l2的值為5.5 mm，6.5 mm，7.5 mm。從圖5b）可以看出，隨著l2的增加天線阻抗帶寬變化不大，諧振強度逐漸降低，諧振點向左移動，適當(dāng)增加l2的長度可以起到縮小天線的作用。

圖5 金屬枝節(jié)尺寸的影響

3）添加共面波導(dǎo)梯形過渡帶

在添加了金屬枝節(jié)的蝶形縫隙天線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在原有的共面波導(dǎo)饋電槽線與蝶形縫隙之間增加一段梯形縫隙作為過渡帶，梯形縫隙由矩形和三角形縫隙構(gòu)成，其長度l5=3.625 mm，寬度W5=0.36 mm。具有金屬枝節(jié)的梯形過渡帶蝶形縫隙天線結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 具有金屬枝節(jié)的梯形過渡帶蝶形縫隙天線

當(dāng)改變梯形過渡帶寬度W5時，取W5的值分別為0.16 mm，0.26 mm，0.36 mm，0.46 mm。從圖7a）可以看出，隨著過渡帶寬度的增減第一個諧振點逐漸減弱，第二個諧振點逐漸增強。兩個諧振點有合并的趨勢，同時中心頻率右移。

天線的特征阻抗隨過渡帶寬度變化的關(guān)系曲線如圖7b）所示，結(jié)合圖7a）分析可以得出，結(jié)論附加的過渡帶對天線的特征阻抗產(chǎn)生了影響，同時諧振點的移動也與特征阻抗的改變有關(guān)，在特征阻抗等于50 Ω 時，天線的諧振強度最大。

圖7 梯形過渡帶尺寸對天線的影響

當(dāng)改變梯形過渡帶長度l5時，取l5的值分別為2.62 mm，3.62 mm，4.62 mm。從圖7c）可以看出，隨著l5的增加第一個諧振點的諧振強度有所減弱，第二個諧振點的強度得到增強，同時諧振點向右移動。

圖7d）為特征阻抗隨梯形過渡帶長度變化的關(guān)系圖，結(jié)合圖7a）可以看出，隨著梯形過渡帶長度的增加在相同頻率下天線的特征阻抗變大，導(dǎo)致天線的諧振點向右移動。

通過對以上數(shù)據(jù)圖表分析可得出，選取適當(dāng)?shù)膮?shù)組合能夠較為有效地拓寬帶寬并實現(xiàn)天線的小型化。

2 測試與分析

為了進一步驗證背腔式蝶形縫隙天線的仿真效果，進行天線加工，實物如圖8a）所示。仿真結(jié)果與實測結(jié)果的對比如圖8b）所示。從實測結(jié)果可看出天線帶寬1.02 GHz（13.74～14.75 GHz）與仿真結(jié)果基本一致。主頻率向高頻移動，主要原因可能是在背腔的制作過程中由于制作條件有限使背腔沒有達到仿真時的理想條件，對基片的厚度及介電常數(shù)產(chǎn)生了影響，同時測試設(shè)備中安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀存在的誤差導(dǎo)致測試得到的中心頻率與仿真的中心頻率出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象，總體上來看天線滿足設(shè)計指標(biāo)的要求。

圖8 實物測試

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一款工作在Ku 波段的背腔式蝶形縫隙天線，通過對比分析可知，增加基片的厚度并更換介電常數(shù)更低的材料可以達到拓寬天線帶寬的目的，在蝶形縫隙中央和共面波導(dǎo)饋線與蝶形縫隙連接處添加金屬枝節(jié)以及梯形過渡帶，兩個諧振點有著逐漸靠攏的趨勢，其雙頻特性逐漸消失。同時，伴隨參數(shù)的改變，天線的中心頻率也會隨之移動。當(dāng)回波損耗小于-10 dB 時，阻抗帶寬可以達到1.06 GHz，最大增益為7.62 dBi，為有效地拓寬帶寬并實現(xiàn)天線的小型化提供了一種思路。