嵌入饋電微帶貼片天線的設(shè)計(jì)

通過采用簡(jiǎn)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(duì)之進(jìn)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(zhì)和已與通信系統(tǒng)的印刷電路集成在一起的優(yōu)點(diǎn)。通過采用簡(jiǎn)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(duì)之進(jìn)行分析已成為可能。另外，通過應(yīng)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(zhǎng)度。

　　饋電機(jī)制在微帶貼片天線設(shè)計(jì)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(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)，而微帶線饋電則是適合于開發(fā)高增益微帶陣列天線。對(duì)于這兩種情況，探針的位置或嵌入的長(zhǎng)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(duì)同軸探針饋電的貼片天線分輸入阻抗特性進(jìn)行了分析。無論從實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度，y0等于從邊緣沿著貼片長(zhǎng)度L方向的饋電位置。

　　另一方面，從實(shí)驗(yàn)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(yùn)的是，現(xiàn)已開發(fā)出一種簡(jiǎn)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(shí)，可引用曲線擬合公式來確定嵌入長(zhǎng)度，以便實(shí)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(zhǎng)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(dǎo)線之間的間距)。嵌入長(zhǎng)度的變化不會(huì)在諧振頻率上產(chǎn)生任何改變，但是嵌入寬度的變化卻會(huì)導(dǎo)致諧振頻率的改變。因此，在下面的討論中，貼片導(dǎo)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(zhǎng)度有關(guān)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(shè)貼片天線可分成四個(gè)區(qū)域，那么可將它建模成一系列帶有不同長(zhǎng)度輻射槽的傳輸線(圖2)，表中列舉了這三個(gè)傳輸線的參數(shù)(寬度和長(zhǎng)度)和這三個(gè)輻射槽的寬度和長(zhǎng)度。

　　根據(jù)早期提出的方法，對(duì)一個(gè)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(jìn)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(jié)果，并將它與采用商用計(jì)算機(jī)輔助工程電磁(EM)仿真器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。即使諧振頻率有點(diǎn)漂移，傳輸線模型還是能非常接近地跟蹤EM仿真器預(yù)測(cè)的回波損耗曲線。諧振頻率上的這個(gè)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(dǎo)致的。

　　在各種εr (2 ≤εr ≤10)值下利用傳輸線模型對(duì)貼片進(jìn)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(duì)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(dāng)嵌入位置從貼片邊緣向中心移動(dòng)時(shí)，輸入阻抗迅速下降。這些參數(shù)的研究已被用來推導(dǎo)如式(1)的曲線擬合公式，以便確定精確的嵌入長(zhǎng)度，從而為通常使用的薄介電基板上實(shí)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(duì)該公式的精確性已進(jìn)行了驗(yàn)證。為確認(rèn)公式的有效性，采用EM仿真器對(duì)貼片進(jìn)行分析。圖5給出了由傳輸線模型產(chǎn)生的結(jié)果與EM仿真器預(yù)測(cè)結(jié)果之間的對(duì)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(yù)測(cè)的回波損耗曲線還是具有很明顯的緊密一致性。