一種新型S波段寬帶圓形貼片天線的設(shè)計(jì)

摘要：采用HFSS11電磁場仿真軟件設(shè)計(jì)和仿真了一種工作于S波段的新型寬帶圓形微帶貼片天線。天線采用聚四氟乙烯和空氣兩層介質(zhì)，通過同軸探針頂部加載圓形金屬電容片來對輻射貼片進(jìn)行耦合饋電，由此補(bǔ)償探針引起的電感；同時(shí)，在圓形貼片上開圓弧形縫隙，以生成第二個(gè)諧振點(diǎn)，從而進(jìn)一步增大帶寬。結(jié)果表明，天線的阻抗帶寬達(dá)到了38％(VSWR<2)，并且在帶寬內(nèi)天線的輻射方向圖基本保持穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：寬頻帶；圓形貼片天線；電容補(bǔ)償；圓弧形縫隙

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(jià)；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(shí)所引入的電感，同時(shí)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(gè)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(gè)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(gè)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(huì)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(gè)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(huì)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(shí)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(gè)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(shí)，第一諧振點(diǎn)(2．5 GHz)的位置基本不變，但是諧振深度會(huì)減??；第二諧振點(diǎn)的位置會(huì)往左移動(dòng)，同時(shí)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(shí)，第二諧振點(diǎn)約在3．35 GHz；R_slot=16 mm時(shí)，第二諧振點(diǎn)在3．1 GHz；R_slot=18 mm時(shí)，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(gè)參數(shù)的尺寸，可以得到圖6所示的電壓駐波比VSWR。很明顯，VSWR<2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(shí)，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(shí)H面4個(gè)頻點(diǎn)的方向圖?？梢钥闯?，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。