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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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)減小;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(duì)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(duì)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。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(duì)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。