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而路徑變長,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、寬)和加載位置對(duì)天線性能的影響是十分復(fù)雜的。一般來說，縫隙越長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L(12.7mm)與縫寬Ws (1mm)不變，隨著槽長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 槽長對(duì)天線輻射的影響

槽長Ls/mm槽寬Ws

/mm貼片

邊長

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)不同縫長的回波損耗比

(b) 不同縫長的增益比較

圖2 不同縫隙長度的天線仿真結(jié)果

若槽長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。所以槽寬不宜過大。

表2 槽寬對(duì)天線輻射的影響

槽長

Ls/mm槽寬

Ws

/mm貼片

邊長

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分別為35mm和28mm。開槽貼片邊長24.2mm，縫長8.2mm，寬2mm。未開槽貼片邊長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35mm。(a)天線貼片邊長28.7mm，縫長9mm,寬1.84mm，切角實(shí)現(xiàn)圓極化，仿真結(jié)果顯示與無縫貼片天線相比可減小貼片尺寸22%;(b)天線貼片長26.5mm，寬25.1mm，縫寬1mm，可減小尺寸33%。(c)天線邊長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%)?？p寬對(duì)阻抗影響較大，一般不宜取值過大。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)行模式簡并，將切角或饋電點(diǎn)改向其對(duì)稱位置或?qū)⒅行牟坶L寬對(duì)調(diào)，可實(shí)現(xiàn)左或右旋圓極化。