矩形寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)

0 引 言

20 世紀(jì) 70 年代初期，人們成功研制出一種新型天線，這 種天線被稱作微帶天線。微帶天線分為三個(gè)大類，分別為微 帶貼片天線、微帶縫天線和微帶行波天線。其中，微帶貼片天 線 [1-3] 使用的頻率較高，其特點(diǎn)是體積小、重量輕、效率高以 及頻率的選擇性較好。但頻率選擇性較好既是一種優(yōu)點(diǎn)，又 是一種缺點(diǎn)，該特點(diǎn)導(dǎo)致天線帶寬比較窄，具有一定的局限性。

1 寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)

微帶天線可以類比為一個(gè)封閉的諧振腔，其諧振特性能 夠等效于一個(gè)并聯(lián)諧振電路，并具有高 Q 值 [4-6]?？傮w來說， 微帶天線具有阻抗帶寬較窄的固有缺點(diǎn)，這對(duì)其廣泛應(yīng)用產(chǎn) 生了限制，因此需要擴(kuò)展微帶天線的帶寬。近幾年，人們主要 采用增大基板厚度，降低介電常數(shù)，附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，采用 縫隙耦合饋電等方法來擴(kuò)展微帶天線的帶寬。天線帶寬根據(jù) 微帶天線輸入端的電壓駐波系數(shù)來確定，范圍即電壓駐波系 數(shù)低于某一個(gè)特定值對(duì)應(yīng)的頻段，天線的帶寬用微帶天線的 電壓駐波比來表示 [7,8] ：

 其中，Q=2pfWr/P，Wr=erV02/16pm0hf2（k0，a）2，P=Pr+Pd+Pc+PSw。 Pd 為導(dǎo)體損耗，Pc 為介質(zhì)損耗，Pr 為輻射損耗，后三者與 Pr 相比可忽略不計(jì)，因此可得 ：Q>>（er/hm0）A，A為常數(shù)。

從公式（1）中可以看出，當(dāng)微波天線的駐波比 VSWR 值 一定時(shí)，改善天線帶寬的根本途徑是降低天線的品質(zhì)因數(shù) Q， 可以從以下幾個(gè)方面入手 ：

（1）選擇厚基片，輻射電導(dǎo)會(huì)隨其厚度的增加而增大， 輻射對(duì)應(yīng)的 Qr 以及總的 Q 值會(huì)隨之下降。不過該方法的作用 有限，基片過厚導(dǎo)致基片厚度與波長(zhǎng)之比過大，產(chǎn)生表面波 激勵(lì)，同時(shí)重量也會(huì)增大，占據(jù)空間隨之增大。本文實(shí)驗(yàn)采 用同軸電纜對(duì)微帶天線進(jìn)行饋電，而厚度的增大會(huì)導(dǎo)致探針 的電抗相應(yīng)增加，使得天線的效率下降。此外，er 減小可使得 介質(zhì)對(duì)場(chǎng)的束縛減小，容易輻射，天線的儲(chǔ)能也會(huì)隨之減小， 使得輻射對(duì)應(yīng)的 Qr 變小，帶寬變寬。但也存在局限，其最小 值為 1，等效于采用空氣介質(zhì)的情況。不過貼片單元和微帶饋 電的寬度都比較寬，輻射損耗需要得到抑制，相應(yīng)的值比較 大。鐵氧體的基片材料能夠采用改變磁場(chǎng)的方式來改善帶寬， 但其損耗過高。

（2）使用改變貼片形狀的方式，使得儲(chǔ)存的能量得到最 大程度的輻射效能，如選用矩形環(huán)貼片或者圓形環(huán)貼片。矩 形環(huán)貼片相對(duì)容易制作，本文選取矩形貼片來增加帶寬。

（3）使用階梯型的基板。因?yàn)閮蓚€(gè)輻射端口處的兩個(gè)諧 振器基板厚度不同，它們經(jīng)過階梯電容耦合會(huì)引起雙回路現(xiàn) 象 [9]，所以基板形狀的變化會(huì)使得頻帶帶寬得以擴(kuò)展。

（4）采用多諧振點(diǎn)的疊加來實(shí)現(xiàn)帶寬的增加，既然一個(gè) 微帶天線貼片可以等效為一個(gè)并聯(lián)諧振回路，多個(gè)貼片可以疊 加多個(gè)相近的諧振頻率從而實(shí)現(xiàn)帶寬的增加。故可采用平面多 諧振結(jié)構(gòu)，即在同一個(gè)平面上擁有多個(gè)貼片，其中一片進(jìn)行直 接饋電，其他貼片為寄生貼片。多層結(jié)構(gòu)即將兩塊或者更多的 貼片附在不同介質(zhì)片層上堆疊起來，其饋電方式分為電磁耦合 型和孔徑耦合型。可以通過在微帶天線上加短路梢釘來調(diào)整 饋電探針的位置，從而激勵(lì)多種相近的諧振頻段。線極化的 微帶天線帶寬受制于阻抗帶寬，使用饋線匹配技術(shù)可以降低 其輸入電抗，由此帶寬得到了擴(kuò)展。

2 寬帶微帶天線的仿真制作與測(cè)試

本節(jié)先通過 CST 仿真軟件來進(jìn)行正方形貼片天線的 仿真，正方形貼片天線仿真圖如圖 1 所示，正方形銅片為 25 mm×25 mm，放置于介質(zhì)基板上，介質(zhì)基板的長(zhǎng)寬分別是 59 mm 和 34 mm，厚度是 1 mm，兩者對(duì)稱分布。從 1 GHz到 12 GHz 取 30 個(gè)頻率點(diǎn)在頻域采樣仿真，精度為 10-6，使 用寬帶掃頻模式，使用波導(dǎo)端口對(duì)同軸線進(jìn)行饋電，最終得到 的仿真結(jié)果如圖2所示。S11位于－10dB以下的頻率范圍為1.86 GHz 到 4.89 GHz，帶寬大致為 3 GHz，相對(duì)而言，帶寬得到 了一定擴(kuò)展，仿真回波反射系數(shù)有兩個(gè)較低值，其最低值超過 了－30 dB。

進(jìn)行正方形微帶貼片天線的制作，圖 3 所示即為本文所 制的正方形貼片天線。該天線由兩塊同樣大小的正方形銅貼片 構(gòu)成，饋電頭通過在介質(zhì)基板上打的孔與銅片相連，兩端分 別通過焊接的方式連接到介質(zhì)基板的兩塊正方形銅片上，該 介質(zhì)基板即制作巴倫偶極子天線所使用的 F4T。

最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得該正方形貼片 天線的回波反射系數(shù)，寬帶微帶天線回波損耗實(shí)測(cè)結(jié)果如圖 4 所示。在 2 GHz 到 8 GHz 的頻率范圍內(nèi)，其回波反射系數(shù)均 低于－10 dB，在 5 GHz 以上時(shí)趨近于－10 dB，在 2.5 GHz 到 4 GHz 出頭的頻率范圍內(nèi)，其回波反射系數(shù)較低，其最低 值趨近于－30 dB?？傮w來說，實(shí)物效果與仿真結(jié)果較為一致， 帶寬效果比較好，超出實(shí)驗(yàn)預(yù)期。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了一種矩形寬帶微帶天線，仿真 實(shí)現(xiàn)了 3 GHz 的帶寬，同時(shí)實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地驗(yàn)證了寬帶 的特性。目前，除了實(shí)現(xiàn)天線寬頻化，實(shí)現(xiàn)天線多頻化、多極 化也是人們研究的熱點(diǎn)之一，希望本文能夠?yàn)檠芯空邆兲峁┬?的思路。