基于寬縫結(jié)構(gòu)的超寬帶天線設(shè)計(jì)

冀敏 代金鳳 廉亞囡 昌厚峰

摘要：改進(jìn)了一種基于寬縫微帶天線結(jié)構(gòu)的超寬帶天線，設(shè)計(jì)了矩形微帶饋電的階梯狀寬縫天線，主要研究了縫隙的形狀以及用于饋電的距離對(duì)天線帶寬的影響，實(shí)測(cè)結(jié)果表明天線具有更寬的阻抗帶寬和良好的輻射性能，該天線具有約為120%的阻抗帶寬（S11≦-10dB） 覆蓋了3.95～17.1GHz頻率范圍，仿真結(jié)果與理論結(jié)果相符，非常適合應(yīng)用于目前的超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：寬縫微帶天線；矩形貼片；超寬帶；阻抗帶寬

中圖分類號(hào)：TP399? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）34-0077-05

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

1 引言

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷迅速發(fā)展，特別是超寬帶（UWB） 通信技術(shù)的出現(xiàn)，系統(tǒng)對(duì)通信中不可或缺的部件天線提出了越來(lái)越高的要求。微帶天線因?yàn)槠渲亓枯p、剖面薄、造價(jià)低、易于共形以及能方便有源電路集成等優(yōu)點(diǎn)[1]，越來(lái)越受到廣大天線工作者的青睞。縫隙天線一般用于微波波段的雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗和通信等設(shè)備中，并因能制成共形結(jié)構(gòu)而特別適宜于用在高速飛行器上。

在導(dǎo)體面上開(kāi)縫形成的天線，稱為縫隙天線，也叫開(kāi)槽天線。典型的縫隙形狀是長(zhǎng)條形，長(zhǎng)度約為半個(gè)波長(zhǎng)?？p隙可用跨接在它窄邊上的傳輸線饋電，也可由波導(dǎo)或諧振腔饋電。這時(shí)，縫隙上激勵(lì)有射頻電磁場(chǎng)，并向空間輻射電磁波。利用多個(gè)縫隙可構(gòu)成縫隙陣?？p隙陣有兩類：諧振陣和非諧振陣。諧振陣中各縫隙是同相激勵(lì)的；非諧振陣中各縫隙有一定相位差，因而其最大輻射方向不是在陣的法線方向，而是與法線成一角度。非諧振陣的優(yōu)點(diǎn)是頻帶較寬。通常按照縫隙的大小，縫隙天線可以分為窄縫和寬縫兩種結(jié)構(gòu)。由于縫隙本身的電抗有影響，通常窄縫天線的阻抗帶寬比較窄，而采用寬縫結(jié)構(gòu)則可以獲得較寬的工作帶寬。通過(guò)選擇合適的基板、改變天線的形狀尺寸、采用各種饋電技術(shù)、阻抗匹配技術(shù)等，可以有效展寬頻帶。

針對(duì)上面的不足，本文對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種矩形微帶饋電的階梯狀寬縫天線，由于采用的是低損耗介電常數(shù)的基板材料，所以保證了天線能有較高的效率，而且天線的面積也大大減小，適用于小型的、便于攜帶的無(wú)線電通信設(shè)備。作為微帶天線一種的微帶寬縫天線，阻抗匹配帶寬要比諧振式貼片天線要寬，并且對(duì)制造公差要求比貼片天線低，在組陣時(shí)其單元間隔離可比貼片天線更大。

2 理論分析

2.1 基本原理

無(wú)限大和無(wú)限薄的理想導(dǎo)電平面上的縫隙稱為理想縫隙。理想縫隙上的電場(chǎng)與縫隙的長(zhǎng)邊垂直，其振幅在縫隙的兩端下降為零。這一電場(chǎng)分布與具有相同尺寸的導(dǎo)體振子（稱為互補(bǔ)振子）上的磁場(chǎng)分布（即電流分布）完全一樣。根據(jù)電磁場(chǎng)的對(duì)偶性可知，理想縫隙所輻射的電磁場(chǎng)與互補(bǔ)振子產(chǎn)生的電磁場(chǎng)具有相同的結(jié)構(gòu)，只是振子的電場(chǎng)矢量對(duì)應(yīng)于縫隙的磁場(chǎng)矢量，振子的磁場(chǎng)矢量對(duì)應(yīng)于縫隙的電場(chǎng)矢量而已。因此，縫隙在yz平面內(nèi)的方向圖為8字形，而在xy平面內(nèi)的方向圖為圓形。理想縫隙的輸入阻抗與互補(bǔ)振子的輸入阻抗之積為z0/4，z0為周圍媒質(zhì)的波阻抗。對(duì)于有限導(dǎo)體平面或曲面上的實(shí)際縫隙，只要導(dǎo)體面尺寸比波長(zhǎng)大得多，特別是縫隙窄邊方向的尺寸較大，曲率較小，則其基本特性便近似于理想縫隙。

當(dāng)縫隙寬度與縫隙長(zhǎng)度可比擬時(shí)，稱為寬縫，具有頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)。縫隙天線的帶寬和縫隙的形狀大小有很大的關(guān)系，使用寬矩形縫隙時(shí)，縫隙的長(zhǎng)寬比對(duì)天線的帶寬有很大的影響，橢圓縫隙的長(zhǎng)短軸比對(duì)帶寬的影響較大。

縫隙天線是一種基本的天線形式，是在金屬上刻槽，采用同軸線、微帶線、波導(dǎo)等方法進(jìn)行激勵(lì)，從而產(chǎn)生輻射。它具有微帶天線輪廓低、加工簡(jiǎn)單和易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。但一般比微帶天線具有更寬的帶寬。寬帶印刷天線主要分為三類[2]：漸變印刷開(kāi)槽天線、微帶饋線印刷縫隙天線和共面波導(dǎo)饋電印刷縫隙天線。傳統(tǒng)的微帶饋電印刷縫隙天線是介質(zhì)板的一個(gè)金屬面上開(kāi)一個(gè)窄縫隙，在介質(zhì)板的另一面通過(guò)開(kāi)路或短路的微帶饋源對(duì)縫進(jìn)行耦合激勵(lì)，但這種印刷窄縫天線一般只有5%～7%的駐波比帶寬。近年來(lái)研究人員發(fā)現(xiàn)寬縫隙結(jié)構(gòu)具有更寬的駐波比帶寬，已經(jīng)提出了用各種不同形式的寬縫和饋源結(jié)構(gòu)結(jié)合來(lái)展寬天線的駐波比帶寬。共面波導(dǎo)是一種平面?zhèn)鬏斁€，易于和其他電路或器件集成，通常應(yīng)用在微波集成電路或微波單片集成電路中。采用共面波導(dǎo)饋電的寬縫天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可以與其他電路集成，因此這種形式天線的研究到了更多的關(guān)注。

天線工作者對(duì)寬縫天線進(jìn)行了大量的研究，通過(guò)改變其縫隙形狀和利用不同的饋源結(jié)構(gòu)相結(jié)合來(lái)展寬阻抗帶寬，實(shí)現(xiàn)超寬帶特性。對(duì)于接地板上只有一個(gè)矩形寬縫隙的寬縫天線來(lái)說(shuō)，當(dāng)將其矩形寬縫的長(zhǎng)寬比例調(diào)節(jié)到一定的比值時(shí)，則對(duì)應(yīng)著的一定的阻抗帶寬和中心頻率，當(dāng)調(diào)節(jié)矩形寬縫的長(zhǎng)寬比時(shí)，天線的阻抗帶寬和中心頻率也會(huì)隨著發(fā)生變化。利用矩形寬縫天線的阻抗帶寬和中心頻率會(huì)隨著寬縫的長(zhǎng)寬比變化的這一特性，就可以在單一矩形寬縫的基礎(chǔ)上，再增加兩個(gè)矩形寬縫，成為3個(gè)矩形寬縫疊加的階梯形結(jié)構(gòu)，這樣由原來(lái)只有1組可供調(diào)節(jié)的長(zhǎng)寬比變?yōu)橛?組可供調(diào)節(jié)的長(zhǎng)寬比，可供調(diào)節(jié)的變量數(shù)增加，一方面增加了設(shè)計(jì)的靈活性，但同時(shí)也增加了調(diào)節(jié)的難度，因?yàn)榭烧{(diào)的變量增多。每1組長(zhǎng)寬比都對(duì)應(yīng)著不同的阻抗帶寬和中心頻帶，當(dāng)3組長(zhǎng)寬比同時(shí)調(diào)節(jié)到某一最優(yōu)值時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了一具有超寬帶性能的階梯形寬縫天線。此外還有一些其他的技術(shù)發(fā)展超寬帶天線的阻抗帶寬如文獻(xiàn)[3]把偏饋技術(shù)應(yīng)用在平面寬縫天線的設(shè)計(jì)中，使饋源矩形支節(jié)中心偏離微帶饋線，取得了不錯(cuò)的效果，-10dB帶寬頻率范圍為從3.95～17GHz。綜上所述，超寬帶寬縫天線的工作原理可以解釋為：寬縫和饋電支節(jié)相結(jié)合產(chǎn)生多個(gè)諧振模式，多個(gè)相鄰的諧振模式相重疊就使天線具有超寬阻抗帶寬。

2.2 寬縫結(jié)構(gòu)超寬帶天線的特性分析

在設(shè)計(jì)這一類的超寬帶天線時(shí)就只要考慮兩個(gè)因素即可。首先，饋電貼片的形狀和寬縫的形狀可以盡可能地相似，饋電貼片的形狀是矩形，則寬縫的形狀考慮用矩形、正方形、階梯形等；如果饋電貼片是橢圓形的，則可以考慮用圓形、半圓形、橢圓形等。其次，是饋電貼片邊緣與寬縫邊緣間的距離，它對(duì)天線的阻抗匹配影響尤為顯著。通過(guò)加強(qiáng)饋電部分與寬縫之間的耦合可以增加阻抗帶寬。當(dāng)兩者之間的耦合增加到某一數(shù)值時(shí)，可以獲得最佳的阻抗匹配帶寬，然而當(dāng)耦合增加到超過(guò)這一定值時(shí)，阻抗匹配的情況反而會(huì)惡化，這說(shuō)明過(guò)度耦合如同耦合不足一樣，都不利于提高寬縫天線的阻抗帶寬。上訴兩個(gè)因素都是通過(guò)調(diào)節(jié)饋電貼片與接地板上寬縫間的電磁耦合，以此來(lái)拓展寬縫天線的阻抗帶寬的。

2.3 性能指標(biāo)

2.3.1 天線阻抗帶寬

天線是電路與空間的界面器件，主要完成導(dǎo)行波與空間電波能量之間的轉(zhuǎn)換。為了有效地完成這種能量轉(zhuǎn)換，要求天線與它的源或負(fù)載匹配[4]。在工程上一般用反射損耗和電壓駐波系數(shù)來(lái)表示天線端口與傳輸線的不匹配程度，它們的大小直接由反射系數(shù)來(lái)確定。無(wú)論是發(fā)射天線還是接收天線，它們是在一定的頻率范圍內(nèi)工作的，因?yàn)樘炀€輻射不同頻率的電磁波，其等效阻抗不同。帶寬是指反射損耗或駐波系數(shù)小于一定的數(shù)值的頻帶寬度[5]。

2.3.2 天線輻射方向圖

為了有效地利用信息能量，保證信息傳遞質(zhì)，要求發(fā)射天線盡可能只向需要的方向輻射電磁波[6]，接收天線也只接收指定方向的來(lái)波，盡量減少其他方向的干擾和噪聲。人們把天線的這種輻射或接收電磁波能量與方向有關(guān)的性能稱為天線的方向性。不同的無(wú)線通信系統(tǒng)要求天線的方向特性是不同的。如人們使用手機(jī)進(jìn)行通信，則要求手機(jī)天線具有全向輻射 和接收特性。然而在衛(wèi)星通信中，衛(wèi)星接收設(shè)備是安裝在固定的地點(diǎn)并且接收已知方位的弱衛(wèi)星信號(hào)，所以天線輻射的指向性越強(qiáng)越好。

3 天線的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)仿真

3.1 天線的結(jié)構(gòu)

如圖1、圖2所示，天線制作在介電常數(shù)為2.65的基板材料上，基板的厚度為2.4mm。選用這種基板材料原因一是損耗較小，二是材料輕薄，便于在實(shí)際中生產(chǎn)。此天線可以看成3個(gè)矩形縫隙的疊加。L1為寬縫矩形的長(zhǎng)， tl為寬縫矩形的寬 ，L2為中間寬縫矩形的長(zhǎng) ，rl為中間寬縫矩形的寬，L3為最小的寬縫矩形的長(zhǎng)，sl為最小寬縫矩形的寬，L4為矩形貼片的長(zhǎng)，W4為矩形貼片的寬，Wf為饋線的寬。不同的寬縫形狀和饋電支節(jié)都會(huì)影響它們之間的電磁耦合，繼而改變天線輸入端的阻抗匹配。

根據(jù)仿真優(yōu)化確定天線的尺寸如下：L1=104mm tl=40mm L2=60mm rl=40mm L3=40mm sl=30mm L4=160mm W4=60mm Wf=3.7mm L=60mm。

3.2 運(yùn)行結(jié)果

1）天線阻抗帶寬

從圖2中可以看出矩形微帶饋電階梯形寬縫的阻抗帶寬14.95GHz，雖然個(gè)別頻點(diǎn)出現(xiàn)了尖刺。

2）天線輻射方向圖

天線輻射方向如圖3所示，寬縫天線具有阻抗帶寬相對(duì)較寬的特性，但是其工作帶寬卻受限于其方向圖帶寬。因?yàn)樵谧杩箮挼母哳l段，容易出現(xiàn)方向性圖惡化的現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)不同寬縫結(jié)構(gòu)的研究表明，寬縫邊沿電流的流動(dòng)將增大H面的交叉極化電平，并導(dǎo)致E面的主波束偏離最大方向[6]。

3.3 理論分析與參數(shù)估算

將設(shè)計(jì)出的基于寬縫結(jié)構(gòu)的超寬帶天線進(jìn)行仿真，本文分別研究了縫隙的形狀、縫隙矩形的長(zhǎng)L1、縫隙矩形1的寬tl、縫隙矩形2的寬rl、縫隙矩形3的寬sl對(duì)天線性能的影響，將同一參數(shù)提不同取值的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.3.1 縫隙形狀的變化對(duì)天線性能的影響

如圖4所示，縫隙的形狀對(duì)天線的性能有影響，縫隙只有一個(gè)矩形的最低頻率為3.85GHz，最高頻率為14.35GHz，凈帶寬為10.5GHz而階梯形的縫隙最低頻率為2.15GHz，最高頻率為17.1GHz更能展寬帶寬。

3.3.2 參數(shù)縫隙矩形的長(zhǎng)（L1） 變化對(duì)天線性能的影響

tl=40mm L2=60mm rl=40mm? L3=40mm sl=30mm L4=160mm W4=60mm Wf=3.7mm L=60mm 時(shí)對(duì)天線在不同的L1 值時(shí)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。

結(jié)果表明：縫隙的長(zhǎng)對(duì)天線的阻抗帶寬有影響，對(duì)最低截止頻率的影響較大，L1越大，最低截止頻率越小，對(duì)最高截止頻率的影響不大，L1為104mm時(shí)的凈帶寬最大，如表1所示。

3.3.3 參數(shù)縫隙矩形1的寬（tl） 變化對(duì)天線性能的影響

L1=104mm L2=60mm rl=40mm? ?L3=40mm sl=30mm L4=160mm W4=60mm Wf=3.7mm L=60mm 時(shí)對(duì)天線在不同的tl值時(shí)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示。

結(jié)果表明：矩形1的寬（tl）對(duì)天線的阻抗帶寬有影響，tl為40mm時(shí)的最低截止頻率最小，變大或變小都會(huì)增大，最高截止頻率40mm時(shí)的最大，凈帶寬最大，如表2所示。

3.3.4 參數(shù)縫隙矩形2的寬（rl） 變化對(duì)天線性能的影響

L1=104mm? ?tl=40mm? ?L2=60mm? L3= 40mm? sl=30mm? ?L4=160mm? W4=60mm? ?Wf=3.7mm? L=60mm 時(shí)對(duì)天線在不同的rl值時(shí)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示。

結(jié)果表明：矩形3的寬（rl）對(duì)天線的阻抗帶寬有影響，rl為40mm時(shí)的最低截止頻率最小，變大或變小都會(huì)增大，最高截止頻率40mm時(shí)的最大，凈帶寬最大，如表3所示。

3.3.5 參數(shù)縫隙矩形3的寬（sl） 變化對(duì)天線性能的影響

L1=104mm tl=40mm? L2=60mm? L3= 40mm? rl=40mm? ?L4=160mm? W4=60mm? ?Wf=3.7mm? L=60mm 時(shí)對(duì)天線在不同的sl值時(shí)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8所示。

結(jié)果表明：矩形3的寬（sl）對(duì)天線的阻抗帶寬有影響，sl為30mm時(shí)的最低截止頻率最小，變大或變小都會(huì)增大，最高截止頻率30mm時(shí)的最大，凈帶寬最大，如表4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)地研究了超寬帶天線的特性，獲得了一種設(shè)計(jì)超寬帶天線的重要方法。對(duì)天線的設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行了一定拓展，設(shè)計(jì)出了一種寬縫結(jié)構(gòu)的超寬帶天線。在建模分析的基礎(chǔ)上，使用HFSS仿真了超寬帶天線模型，并根據(jù)仿真的結(jié)果對(duì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到較好的仿真結(jié)果。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】