新型S波段寬帶圓形貼片天線的設(shè)計(jì)

0 引言

微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)體薄片而形成的天線，它具有剖面薄，體積小，重量輕，容易實(shí)現(xiàn)多頻段等優(yōu)點(diǎn)。但微帶天線有其固有缺陷，即寬帶比較窄，一般只有5％左右。因此，展寬微帶天線的帶寬具有十分重要的意義。目前，隨著微帶天線的應(yīng)用越來越廣，對于如何展寬天線的帶寬已經(jīng)出現(xiàn)了很多有效的方法，其基本方法有以下幾種：
(1)增大微帶介質(zhì)的厚度；
(2)降低微帶介質(zhì)的介電常數(shù)；
(3)采用有耗介質(zhì)；
(4)附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等。

前兩種方法制作起來比較簡單，容易加工；第三種方法以天線增益的降低為代價；第四種方法需要設(shè)計(jì)寬帶匹配電路，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作難度大。

本文設(shè)計(jì)了一種新型天線，該天線采用較厚的空氣層與較薄的聚四氟乙烯雙層介質(zhì)，在前兩種方法的基礎(chǔ)上又利用金屬電容片補(bǔ)償同軸探針饋電時所引入的電感，同時在輻射貼片上開縫形成雙峰諧振，進(jìn)一步拓展了天線的帶寬。文中對本天線，采用同軸探針直接饋電的天線與僅采用電容補(bǔ)償饋電的天線的帶寬進(jìn)行了比較。對微帶天線進(jìn)行計(jì)算與仿真，調(diào)節(jié)圓弧形縫隙的位置與長度，可以使單個圓形貼片的阻抗帶寬在S波段內(nèi)達(dá)到38％甚至更高，滿足了現(xiàn)代通信對天線帶寬的要求。

1 微帶天線的模型結(jié)構(gòu)

微帶貼片天線的模型結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，輻射貼片與接地板之間的介質(zhì)由兩部分組成，下層為空氣介質(zhì)，其厚度為h1，上層是聚四氟乙烯，厚度為h2，并且h1遠(yuǎn)大于h2，這樣的組合既可以增大介質(zhì)層的厚度，又可以等效降低相對介電常數(shù)。

與傳統(tǒng)探針直接饋電不同，本天線在探針頂部加載了一個小的圓形金屬貼片對上層的輻射貼片進(jìn)行耦合饋電，電容片的半徑為R，位置處于兩層介質(zhì)的交界面上。頂層的輻射貼片并沒有采用普通的圓形貼片，而是在其適當(dāng)?shù)奈恢瞄_了一個圓弧形槽。輻射貼片的半徑為R_out，圓弧槽的外半徑為R_slot，寬度為 d_slot，兩端口之間的距離為W，饋電同軸探針距離貼片圓心的水平距離為feed。

2 微帶天線的理論分析

圓形微帶天線的諧振頻率可近似用下式表示：

式中：a為圓形貼片的半徑；εr為介質(zhì)的有效介電常數(shù)。

通常情況下，對于同軸探針饋電的微帶貼片天線，介質(zhì)層厚度的增加會導(dǎo)致由探針引起的電感增大，從而惡化天線饋電點(diǎn)的輸入阻抗，可對探針引起的電感進(jìn)行補(bǔ)償。微帶天線的輸入阻抗和饋電探針的電感可以表示為：

式中：XL為探針引出的電感；η和k分別是特性阻抗和介質(zhì)中的波數(shù)；d為探針的直徑。為了補(bǔ)償電感，在探針頂部串聯(lián)一個電容，并使其滿足諧振條件：

這樣就可以有效地優(yōu)化天線饋電點(diǎn)處的阻抗，展寬其阻抗帶寬。
在輻射貼片上開縫可以在很大程度上影響天線的諧振特性，如果縫隙的諧振頻率與貼片的諧振頻率相差不遠(yuǎn)的話，天線的阻抗帶寬則很有可能被展寬，常見的矩形貼片加載U形槽的形式就可以極大地展寬天線帶寬。本天線采用圓形貼片加載圓弧縫隙，也可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，下文將會具體分析到電容貼片和縫隙對天線諧振特性的影響。

3 微帶天線的相關(guān)尺寸及諧振特性

采用式(1)計(jì)算出天線諧振頻率在2．5 GHz時的圓形貼片半徑為21．5 mm，調(diào)整R_out=23 mm，經(jīng)過仿真得出饋電點(diǎn)的位置feed=6 mm，饋電圓盤的半徑R=2．4 mm，圓弧形縫隙的R_slot=16 mm，d_slot=2 mm，W=20 mm。

圖3顯示了本天線與其他兩種不同結(jié)構(gòu)的圓形微帶天線的S11參數(shù)，調(diào)整圓形貼片的半徑使其諧振頻率都在2.5GHz左右，由圖中可以看出：

(1)直接采用探針饋電的圓形微帶天線的帶寬很窄，S11曲線低于-10 dB的范圍僅為50 MHz；
(2)采用雙層介質(zhì)結(jié)構(gòu)，探針加載圓盤電容補(bǔ)償饋電的微帶天線帶寬大約在400 MHz；
(3)在第二種天線的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，在圓形貼片上加載縫隙，即本天線的設(shè)計(jì)，可以使天線出現(xiàn)第二個諧振點(diǎn)，諧振頻率在3．1 GHz，從而可使阻抗帶寬達(dá)到1 GHz甚至更多。

3．1 饋電圓盤的半徑對天線的影響

探針頂部加載圓盤可以直接補(bǔ)償探針引出的電感，因此圓盤半徑R對天線的諧振特性有很大的影響。由圖4可見，當(dāng)R由小變大時，第一諧振點(diǎn)(2．5 GHz)的位置基本不變，但是諧振深度會減?。坏诙C振點(diǎn)的位置會往左移動，同時諧振深度增加。

3．2 輻射貼片上縫隙的位置對天線的影響

貼片上的圓弧形縫隙是產(chǎn)生第二諧振點(diǎn)的直接原因。由圖5可見，R_slot=14 mm時，第二諧振點(diǎn)約在3．35 GHz；R_slot=16 mm時，第二諧振點(diǎn)在3．1 GHz；R_slot=18 mm時，第二諧振點(diǎn)在2．9GHz，但是已經(jīng)很不明顯。結(jié)論是隨著R_slot的變大，第二諧振點(diǎn)的頻率越來越小。

4 微帶天線的帶寬和方向圖

采用上述各個參數(shù)的尺寸，可以得到圖6所示的電壓駐波比VSWR。很明顯，VSWR2的頻帶范圍大致從2.3～3.4GHz，相對帶寬達(dá)到38％。

頻率為2．5 GHz時，天線的方向圖如圖7所示，最大增益方向在天線的正上方，約為7．7 dB。

為了查看在阻抗帶寬內(nèi)天線的方向圖有沒有發(fā)生畸變，圖8列出了天線在2．4GHz，2．7GHz，3GHz和3．4GHz時H面4個頻點(diǎn)的方向圖。可以看出，在很寬的阻抗帶寬內(nèi)，天線在很大角度內(nèi)的方向圖基本上保持穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

綜上所述，針對傳統(tǒng)微帶貼片天線帶寬較窄的缺點(diǎn)，本文在增大介質(zhì)厚度與降低介質(zhì)介電常數(shù)的基礎(chǔ)上，采用探針頂部加載電容耦合饋電、在輻射圓形貼片上開圓弧形槽的方法，大幅度增大了微帶天線的帶寬，使之在S波段內(nèi)帶寬達(dá)到了38％，且方向圖具有良好的穩(wěn)定特性，可為工程實(shí)際提供參考。