嵌入饋電微帶貼片天線的設計

通過采用簡單明了的傳輸線模型，建立微帶線嵌入饋電(inset-fed)貼片天線的精確模型并對之進行分析已成為可能。

　　外形小、成本低的天線可用于許多現(xiàn)代通信系統(tǒng)中。微帶貼片天線代表一系列的小型天線，它們具有等角性質和已與通信系統(tǒng)的印刷電路集成在一起的優(yōu)點。通過采用簡單明了的傳輸線模型，建立微帶線嵌入饋電(inset-fed)貼片天線的精確模型并對之進行分析已成為可能。另外，通過應用曲線擬合公式，也可以確定50Ω輸入阻抗所需的精確嵌入長度。

　　饋電機制在微帶貼片天線設計中扮演了重要角色。微帶天線可以由同軸探針或嵌入的微帶線來饋電，同軸探針饋電在有源天線應用中具有優(yōu)勢，而微帶線饋電則是適合于開發(fā)高增益微帶陣列天線。對于這兩種情況，探針的位置或嵌入的長度都將決定輸入阻抗的大小。

　　已通過各種各樣的模型，包括傳輸線模型和空腔模型，以及通過全波分析對同軸探針饋電的貼片天線分輸入阻抗特性進行了分析。無論從實驗上還是從理論上，都證明了同軸探針饋電貼片天線的輸入阻抗特性遵守三角函數(shù)：cos2[π(y0/L)]，其中，L等于貼片長度，y0等于從邊緣沿著貼片長度L方向的饋電位置。

　　另一方面，從實驗上也證明在低介電常數(shù)材料上，嵌入饋電的探針天線的輸入阻抗表現(xiàn)為以下函數(shù)的4階特性：cos4[π(y0/L)]。

　　幸運的是，現(xiàn)已開發(fā)出一種簡單的分析方法，該方法利用傳輸線模型來獲得嵌入饋電微帶貼片天線的輸入阻抗。利用這種方法，在使用現(xiàn)代薄介電電路板材料時，可引用曲線擬合公式來確定嵌入長度，以便實現(xiàn)50Ω的輸入阻抗。

　　圖1是嵌入饋電微帶貼片天線的圖示。參數(shù)εr、h、L、W、w SUB >f /SUB >和y0分別代表基板的介電常數(shù)、厚度、貼片長度、貼片寬度、饋線寬度和饋線嵌入距離。嵌入饋電微帶貼片天線的輸入阻抗主要取決于嵌入距離y0，并在某種程度上取決于嵌入寬度(饋線與貼片導線之間的間距)。嵌入長度的變化不會在諧振頻率上產生任何改變，但是嵌入寬度的變化卻會導致諧振頻率的改變。因此，在下面的討論中，貼片導線與饋線之間的間距是保持不變，等于饋線寬度。在與嵌入長度有關的諧振頻率下的輸入阻抗的變化，將在下列討論中被看作各種參數(shù)的函數(shù)。

　　假設貼片天線可分成四個區(qū)域，那么可將它建模成一系列帶有不同長度輻射槽的傳輸線(圖2)，表中列舉了這三個傳輸線的參數(shù)(寬度和長度)和這三個輻射槽的寬度和長度。

　　根據(jù)早期提出的方法，對一個具有εr=2.42、h=0.127cm、w=4.04cm、L=5.94cm和y0=0.99cm參數(shù)的貼片天線進行了分析。圖3顯示了采用這里所提到的傳輸線模型方法所得到的結果，并將它與采用商用計算機輔助工程電磁(EM)仿真器得到的數(shù)據(jù)進行了比較。即使諧振頻率有點漂移，傳輸線模型還是能非常接近地跟蹤EM仿真器預測的回波損耗曲線。諧振頻率上的這個微小漂移，是由于沒有考慮嵌入饋線與貼片之間的不連續(xù)性而導致的。

　　在各種εr (2 ≤εr ≤10)值下利用傳輸線模型對貼片進行參數(shù)研究。圖4表明了在邊緣(y0=0)處，由微帶線饋電的矩形微帶貼片天線具有更高的輸入阻抗，對于不同的εr值，其變化大約從150到450Ω。另外從中也可以觀察到，與同軸探針饋電的貼片天線相比，當嵌入位置從貼片邊緣向中心移動時，輸入阻抗迅速下降。這些參數(shù)的研究已被用來推導如式(1)的曲線擬合公式，以便確定精確的嵌入長度，從而為通常使用的薄介電基板上實現(xiàn)50Ω輸入阻抗。

　　用εr=5.0、h=0.127cm、W=4.1325cm、L=2.8106cm、y0=0.9009cm的貼片天線對該公式的精確性已進行了驗證。為確認公式的有效性，采用EM仿真器對貼片進行分析。圖5給出了由傳輸線模型產生的結果與EM仿真器預測結果之間的對比。盡管在這兩組數(shù)據(jù)中諧振頻率有1%的偏移，但用這兩種方法預測的回波損耗曲線還是具有很明顯的緊密一致性。