展寬貼片天線頻帶的L型饋電方法的設(shè)計與分析

摘要：微帶天線其本身具有的固有帶寬十分狹窄，很難應(yīng)用于更多更廣的領(lǐng)域中，所以對微帶天線帶寬展寬的研究具有十分重要的意義。采用Ansoft公司的HFSS仿真軟件仿真分析了L型探針饋電方法的微帶貼片天線，并且設(shè)計了一個中心頻率為1 000 MHz的L形探針饋電方法的微帶貼片天線，其絕對帶寬為320 MHz，達(dá)到了中心頻率的32％，輻射增益大約為9 dB。其具有尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，超寬帶的特征。
關(guān)鍵詞：帶寬；中心頻率；L型探針饋電；微帶貼片天線

O 引 言
    最近幾十年微帶天線的發(fā)展非常迅速，但微帶天線其本身具有的固有帶寬十分狹窄，很難應(yīng)用于更多更廣的領(lǐng)域中，所以對微帶天線帶寬展寬的研究具有十分重要的意義。近來超寬帶天線成了一個熱門的話題，但是展寬貼片天線頻帶十分困難。在對天線進(jìn)行設(shè)計時，既要實(shí)現(xiàn)天線的寬帶化，又要限制天線的尺寸大小，而且還要滿足天線的駐波、增益等指標(biāo)，類似這樣的天線設(shè)計問題是十分困難的。如何協(xié)調(diào)好上述關(guān)系以獲得最佳天線結(jié)構(gòu)，則成為寬帶天線設(shè)計的核心問題。該文討論用L型探針方法來展寬貼片天線帶寬的方法，仿真設(shè)計出了一個中心頻率為1 000 MHz帶寬為32％的L型探針饋電的貼片天線。

1 中心頻率1 000 MHz的L型探針饋電天線的設(shè)計及仿真
1．1 模型確定
    設(shè)計指標(biāo)為中心頻率為1 000 MHz，帶寬為30％以上。當(dāng)頻率等于l 000 MHz時，波長(單位：m)如下式所示：

   
    εr=1(即為空氣或者泡沫基片)，天線模型尺寸初步設(shè)計如下：L=16．5 cm，W=14．5 cm，Lp=5．54 cm，D=1．06 cm，基片厚度2．58 cm，探針直徑O．53 cm，如圖1所示。通過HFSS軟件對其進(jìn)行仿真設(shè)計，設(shè)計的仿真模型、俯視圖、側(cè)視圖如圖2～圖4所示。

    在圖1中，L表示為貼片的長度，W為貼片的寬度，Lp為探針的左端到右端的距離，D為探針左端到貼片的距離，模型基片厚度固定為2．58 cm。
1．2 仿真調(diào)試
    對上述仿真模型進(jìn)行仿真，得到的仿真結(jié)果如圖5所示。

    圖5為在模型尺寸：L=16．5 cm，W=14．5 cm，Lp=5．54 cm，D=1．06 cm，t=2．58 cm下得到的駐波比曲線圖，此時的帶寬只有7．5 %左右，且中心頻點(diǎn)離1 000 MHz漂移也有點(diǎn)大，結(jié)果與設(shè)計指標(biāo)相差甚多。為了得到設(shè)計指標(biāo)結(jié)果，調(diào)整參數(shù)，首先調(diào)整貼片的大小來增加貼片天線的帶寬，然后再調(diào)整貼片與探針的相對位置來滿足頻點(diǎn)指標(biāo)，于是將貼片尺寸進(jìn)行縮小，尺寸如下：長L為16．5 cm，寬W為12．5 cm，其余參數(shù)均不改變，對其再進(jìn)行仿真分析，得到的駐波比圖如圖6所示。

    可見，此時尺寸為L=16．5 cm，W=12．5 cm，Lp=5．54 cm，D=1．06 cm，t=2．58 cm時帶寬增加為14．4％，中心頻點(diǎn)為860 MHz，明顯比一開始設(shè)計參數(shù)的貼片有了改進(jìn)，但是離設(shè)計指標(biāo)還是相差很多，對其貼片尺寸再進(jìn)行調(diào)節(jié)：長為16．5 cm，寬為11．5 cm，進(jìn)行仿真分析，得到的駐波比曲線圖如圖7所示。
    由圖7可見，帶寬有了很大的增加，此時模型尺寸為：L=16．5 cm，W=11．5 cm，Lp=5．54 cm，D=1．06 cm，t=2．58 cm。帶寬為25％，且中心頻點(diǎn)也在1 000 MHz附近，由于帶寬還是未達(dá)到30％以上，所以對其再進(jìn)行改進(jìn)，貼片尺寸改為：長為15 cm，寬為11 cm，得出駐波比曲線圖如圖8所示。

    計算得到的諧振長度。

1．3 最終結(jié)果表示
    通過以上的仿真調(diào)試可以看出圖9正是要得到的駐波比曲線圖。表1給出了得到圖9的設(shè)計的尺寸；表2列出了從圖9中得出的天線的中心頻率、絕對帶寬、相對帶寬及增益的值。

    其余參數(shù)圖從圖10可以看出，S參數(shù)在一10 dB以下的是從O．92～1．23 GHz，可知其絕對帶寬為O．31 GHz，其相對帶寬為30%以上，基本和由駐波比得到的帶寬符合。
    由圖10～圖13可知，最終得到的L型探針饋電方式貼片天線其帶寬為32％，增益大約在9 dB的水平。影響貼片天線的帶寬和中心頻率的因數(shù)有：貼片的尺寸大小，基片的厚度，貼片與L型探針的相對位置，L探針的長度，饋電點(diǎn)位置也有影響，具體來說，貼片的長度L由式(2)可以計算得出，對其長度L及其寬度W進(jìn)行調(diào)節(jié)及基片厚度的改變會改變貼片天線的帶寬及其中心頻點(diǎn)，L探針長度的改變及饋電點(diǎn)的位置也會影響帶寬但對中心頻點(diǎn)的影響很小，這就會有一個最佳尺寸，且從以上可以看出最初的設(shè)計尺寸未能達(dá)到指標(biāo)要求。為了達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，對貼片尺寸進(jìn)行了重點(diǎn)調(diào)節(jié)，其余的影響參數(shù)只是對其進(jìn)行了很小的修改，而且達(dá)到設(shè)計要求后，對其他影響參數(shù)也進(jìn)行了微調(diào)，由此得出了上文中的規(guī)律和結(jié)論。

2 結(jié) 語
    介紹了L型探針饋電方式的展寬頻帶方法。以前，人們在微帶貼片天線的頻帶展寬方面常采用多層結(jié)構(gòu)，雖展寬了頻帶但使天線的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，有悖于寬帶的微帶貼片天線逐漸向小型化、結(jié)構(gòu)簡單的發(fā)展方向。探討了貼片天線中的設(shè)計尺寸參數(shù)的變化對仿真結(jié)果的影響，主要通過對貼片尺寸的調(diào)節(jié)、基片厚度的調(diào)整；L探針長度的調(diào)節(jié)，可以對貼片天線仿真模型的中心頻率和駐波比進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終仿真設(shè)計出了帶寬>30％的超寬帶微帶貼片天線，具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、超寬帶的特征。