縫隙加載圓極化微帶天線特性研究

1 引言

為順應(yīng)現(xiàn)代通信、雷達(dá)、定位、電子對(duì)抗等領(lǐng)域?qū)μ炀€小型化的迫切需求，使天線與設(shè)備大小協(xié)調(diào)，小型化高性能微帶天線的研究和開發(fā)日益成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。很多小型化、高增益、寬帶寬的微帶天已被提出。其中，在貼片表面加載槽縫的微帶天線以其簡(jiǎn)單易行以及形式變化多樣倍受研究者的青睞。當(dāng)在貼片表面開不同形式的槽或細(xì)縫時(shí),切斷了原先的表面電流路徑,使電流繞槽邊曲折流過(guò)而路徑變長(zhǎng),在天線等效電路中相當(dāng)于引入了級(jí)聯(lián)電感。由于槽很窄,它可模擬為在貼片中插入一無(wú)限薄的橫向磁壁。從而加大了天線有效輻射部分的相對(duì)電尺寸。

但是縫隙的尺寸(長(zhǎng)、寬)和加載位置對(duì)天線性能的影響是十分復(fù)雜的。一般來(lái)說(shuō)，縫隙越長(zhǎng)或越寬可使諧振頻率點(diǎn)越低，即貼片尺寸就越小。而與此同時(shí)，天線的其他性能也受到影響，這主要體現(xiàn)在帶寬變窄、增益降低、阻抗與圓極化性能調(diào)諧困難等，需要折衷協(xié)調(diào)，或附加其他改進(jìn)辦法。

2 天線設(shè)計(jì)與數(shù)值結(jié)果

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，在貼片周邊開四個(gè)長(zhǎng)度相等的槽，中心槽則為獲得圓極化而設(shè)[2]。采用正方形貼片和介質(zhì)基片，介質(zhì)介電常數(shù)為9.9，邊長(zhǎng)35mm，用同軸線饋電于貼片對(duì)角線上。這里采用CST Microwave Studio軟件對(duì)該天線進(jìn)行三維全波分析。從數(shù)值結(jié)果可看出，貼片邊長(zhǎng)L(12.7mm)與縫寬Ws (1mm)不變，隨著槽長(zhǎng)Ls由4mm增加到8mm，天線的諧振頻率降低了10.6%。增益由2.5dB下降至2.4dB，3dB波瓣寬度由180°逐漸減小為112°，軸比小于3dB。見表1與圖2。

(a)俯視圖 (b)側(cè)視圖

圖1 圓極化縫隙加載微帶天線仿真模型

表1 槽長(zhǎng)對(duì)天線輻射的影響

槽長(zhǎng)Ls/mm槽寬Ws

/mm貼片

邊長(zhǎng)

L/mm增益

/dB諧振頻率/GHzVSWR

4125.42.51.6451.15

6125.42.461.5751.1

7125.42.431.5221.73

8125.42.41.4721.59

(a)不同縫長(zhǎng)的回波損耗比

(b) 不同縫長(zhǎng)的增益比較

圖2 不同縫隙長(zhǎng)度的天線仿真結(jié)果

若槽長(zhǎng)保持不變只增加縫寬，當(dāng)槽寬由2mm增至5mm，諧振頻率降低6%。3dB波瓣寬度降為95.4°，仿真結(jié)果如圖3所示。

由于輸入阻抗增大，仿真過(guò)程中，需要調(diào)整饋電點(diǎn)位置以達(dá)到匹配。此時(shí)，輸入阻抗、諧振頻率和圓極化性能調(diào)諧困難。所以槽寬不宜過(guò)大。

表2 槽寬對(duì)天線輻射的影響

槽長(zhǎng)

Ls/mm槽寬

Ws

/mm貼片

邊長(zhǎng)

L/mm饋點(diǎn)橫坐標(biāo)/mm諧振

頻率

/GHzVSWR

5.76225.41.91.5761.11

5.76425.41.81.5291.21

5.76525.41.41.511.22

(a)不同縫寬的回波損耗比較[!--empirenews.page--]

(b)不同縫寬的增益比較

圖3 不同縫隙寬度的天線仿真結(jié)果

折衷考慮了貼片大小和槽縫尺寸之后，重新確定貼片和縫隙的尺寸，這時(shí)可使天線尺寸減小20%，加縫天線與普通貼片尺寸對(duì)比見圖4所示。其中，未開槽與開槽微帶天線模型的基片邊長(zhǎng)分別為35mm和28mm。開槽貼片邊長(zhǎng)24.2mm，縫長(zhǎng)8.2mm，寬2mm。未開槽貼片邊長(zhǎng)30.2mm。天線均諧振于1.57542GHz。

兩種天線的增益仿真結(jié)果見圖5，由圖可知，開槽后天線的最大增益只降低了0.1dB，而3dB波瓣寬度由180°降為125°。

(a)普通切角 (b)直縫

圖4 開槽微帶天線與普通切角天線的尺寸對(duì)比

(a)普通切角天線

(b)開槽天線

圖5 兩種天線的增益仿真結(jié)果

圖6所示為另外三種縫隙微帶天線天線[3]。其介質(zhì)基片介電常數(shù)均為9.9，邊長(zhǎng)35mm。(a)天線貼片邊長(zhǎng)28.7mm，縫長(zhǎng)9mm,寬1.84mm，切角實(shí)現(xiàn)圓極化，仿真結(jié)果顯示與無(wú)縫貼片天線相比可減小貼片尺寸22%;(b)天線貼片長(zhǎng)26.5mm，寬25.1mm，縫寬1mm，可減小尺寸33%。(c)天線邊長(zhǎng)25.77mm，縫寬1.84mm，在縫的末端加有小切角使圓極化性能更易調(diào)諧。減小尺寸38%。圖6為三種天線的反射損耗仿真結(jié)果。其中，天線(b)(c)的槽縫位置對(duì)尺寸的減小很關(guān)鍵，槽應(yīng)加在使縫足夠長(zhǎng)又滿足輸入阻抗?jié)M足匹配要求的位置。

(a)斜縫 (b)T形縫 (c)L形縫

圖6 三種不同縫形微帶天線仿真模型

圖7 三種不同縫隙微帶天線回波損耗仿真結(jié)果比較

3 結(jié)論

隨槽的長(zhǎng)度增加，天線諧振頻率降低，對(duì)應(yīng)天線尺寸減小，但天線尺寸的過(guò)分縮減會(huì)引起性能的劣化，其中帶寬與增益尤為明顯。因此開槽需在小型化與性能之間折衷考慮。普通材料的開槽天線圓極化帶寬一般不足1%，導(dǎo)致諧振頻率和圓極化性能的調(diào)諧困難，實(shí)際應(yīng)用中需采取措施進(jìn)行頻帶擴(kuò)展。天線饋點(diǎn)由貼片邊緣至中心移動(dòng)，對(duì)應(yīng)輸入電阻降低(近似 函數(shù)關(guān)系)，電抗變化很小，諧振頻率略有浮動(dòng)(<1.2%)。縫寬對(duì)阻抗影響較大，一般不宜取值過(guò)大。雖然用于實(shí)現(xiàn)圓極化的中心槽尺寸不大，對(duì)天線頻率影響較小，但不同尺寸下的中心槽長(zhǎng)寬比例不好掌握，比較之下用切角更易獲得圓極化。利用切角或中心槽進(jìn)行模式簡(jiǎn)并，將切角或饋電點(diǎn)改向其對(duì)稱位置或?qū)⒅行牟坶L(zhǎng)寬對(duì)調(diào)，可實(shí)現(xiàn)左或右旋圓極化。