帶空氣層的寬帶微帶天線的分析與設(shè)計(jì)

 引言

微帶天線，作為20世紀(jì)70年代研究成功的一種新型天線，以其結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、低剖面、易于與飛行器表面共形安裝和可與微帶電路集成等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信、航空航天、電子對抗及雷達(dá)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但微帶天線也因其增益低、頻帶窄(通常帶寬只有(0.7%—7%)等缺陷限制了它的應(yīng)用范圍。隨著軍事通信、移動(dòng)通信中跳頻、擴(kuò)頻通信技術(shù)的發(fā)展，要求天線在瞬時(shí)頻率上寬帶化顯得越來越迫切，特別是我國目前處于2G-3G的過渡階段，移動(dòng)通信用戶的急劇增長，使得通信系統(tǒng)不斷更新和擴(kuò)容。為減小無線通信中的干擾并降低成本，要求天線在寬頻帶內(nèi)工作。因此，微帶天線的寬頻帶技術(shù)的研究已經(jīng)成為一個(gè)迫切的研究課題。

目前，微帶天線的寬頻帶技術(shù)主要有：增加介質(zhì)基片厚度，減小介質(zhì)介電常數(shù);修改等效電路，如附加寄生貼片、采用電磁耦合饋電等;附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò);改變輻射板形狀，如采用分形結(jié)構(gòu)或曲邊結(jié)構(gòu)等Chang, Long和Richards等人通過實(shí)驗(yàn)用增加基片厚度的方法得到了20%的天線工作頻帶寬度。Purchine, Aberie 和Birtcher等人把微帶天線看成是一個(gè)諧振電路，在微帶天線的輻射板和接地板之間并接一個(gè)變?nèi)荻O管，用微處理器控制改變加到變?nèi)荻O管上的反向偏壓，應(yīng)用調(diào)諧方法可以在1.55GHz—1.93GHz(相當(dāng)于22%)的頻帶寬度上連續(xù)工作。An.Nanwelaers和Capelle在微帶天線輸入端與微帶線饋線之間加一個(gè)電抗匹配網(wǎng)絡(luò)，可以得到16.82%的天線工作頻帶。Fang Yang 和Xue Xia Zhang等人采用E形貼片天線在無線通信頻率范圍內(nèi)的帶寬可以達(dá)到30.3%。

由此可見，展寬微帶天線的帶寬已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但上面的方法也存在不足。如采用厚基片的微帶天線會(huì)造成表面波效應(yīng)明顯增加，且天線的體積及重量也會(huì)隨之增大;采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)或是通過修改等效電路的方法則會(huì)帶來理論上分析的復(fù)雜性和天線制作困難等問題;此外，通過改變輻射板形狀的方法會(huì)對天線制造公差提出更高的要求?；谝陨戏治觯疚牟捎靡肟諝鈱拥姆椒ㄓ行У卣箤捔颂炀€的工作頻段，天線在整個(gè)工作頻帶內(nèi)具有良好的輻射特性，且該天線的結(jié)構(gòu)簡單，易于制作。

2 設(shè)計(jì)原理

本文擬設(shè)計(jì)的雙頻微帶天線工作于S波段(2.0GHz—4.0GHz)的頻率范圍內(nèi)，其設(shè)計(jì)指標(biāo)為：

(1)工作中心頻率3.0GHz：

(2)駐波比VSWR≤2.0;

(3)天線相對帶寬BW≥10%在普通矩形微帶天線的設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)所要求的帶寬及增益，來確定介質(zhì)板的材料及厚度。一般可以給根據(jù)天線所工作的中心頻率，由以下兩式求出輻射片的尺寸：

， (1)

， (2)

(3) 其中W和L分別為輻射單元的寬度和長度，

為線伸長量，

為介質(zhì)等效介電常數(shù)。

由于本文采用帶空氣層的雙層微帶天線，故可以通過腔模理論計(jì)算出介質(zhì)層的等效介電常數(shù)公式如下：

， (4) 其中為空氣層厚度，

為介質(zhì)層厚度，

為介質(zhì)介電常數(shù)。當(dāng)

時(shí)，微帶天線的帶寬的經(jīng)驗(yàn)公式可以表示為：

，(5) 其中

為中心頻率，

為介質(zhì)基板厚度。為了獲得寬頻特性，應(yīng)該采用介電常數(shù)相對較小的介質(zhì)作為基板。此處我們所采用的介質(zhì)為Rogers RT/duroid 5880(相對介電常數(shù)

，損耗角正切

)。從理論上來說，接地板可以視為無限大，然而在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，考慮到天線安裝尺寸、重量及其成本方面的諸多因素，接地板尺寸應(yīng)盡可能的小。在實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)?shù)匕鍖挾葷M足

時(shí)，即可將地板視為無限大。 結(jié)合以上各種因素，最終設(shè)計(jì)的天線尺寸為：輻射板尺寸：

; 接地板尺寸：

; 天線厚度：

，其中空氣層厚度為2mm，介質(zhì)層厚度為1mm。

天線的設(shè)計(jì)圖形如下圖1所示：

圖1 天線俯視圖及側(cè)視圖

3 天線的仿真分析

利用HFSS 10.0對上述天線進(jìn)行仿真，可以得到天線的回波損耗圖、電壓駐波比(VSWR)圖及天線的輻射方向圖形分別如下所示：

圖2 天線回波損耗仿真圖

圖3 天線駐波比圖

圖4 天線輻射方向圖(

)

圖5 天線輻射方向圖(

)

圖6 天線輻射方向圖(

)

圖7 天線輻射方向圖(

) 由圖2和圖3中可以看出，在

時(shí)，天線的工作頻率為2.97GHz-3.94GHz，其相對帶寬達(dá)到了28.12%，滿足了天線寬頻工作的要求。從天線方向圖(E面為藍(lán)色，H面為紅色)可以看出，當(dāng)天線諧振頻率為3.1GHz時(shí)，天線的主輻射方向?yàn)?/p>

，此時(shí)天線的增益為9.280dB，天線的后向輻射較小(-6.981 dB)，其前后比約為16.261dB。

在天線工作頻段內(nèi)，當(dāng)頻率分別為3.0GHz、3.7gGHz和3.9GHz時(shí)，天線輻射方向圖與諧振頻率處的基本一致，說明天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)具有良好的輻射特性。

由于天線接地板尺寸有限，不滿足可以視為無限大的條件，故天線存在后向輻射。在天線所占用的空間要求不嚴(yán)格的情況下，可以通過采用適當(dāng)增大接地板尺寸的方法來降低天線的后向輻射。

為了說明所設(shè)計(jì)的天線性能的優(yōu)越性，我們將其與普通單層微帶天線進(jìn)行了對比。對普通單層微帶天線進(jìn)行了仿真，其回?fù)p圖、駐波比圖及諧振頻率點(diǎn)的輻射方向圖如下：

圖8 普通天線回波損耗仿真圖

圖9 普通天線駐波比仿真圖

圖10 普通天線輻射方向圖(

)

圖11 天線輻射方向圖(

)

從圖8和圖9可以看出，普通單層微帶天線的工作頻段分別為2.92～03.24GHz和3.46～3.88GHz，其相對帶寬為 10.39% 和11.44% ，天線在3.25～3.45GHz頻段內(nèi)的阻抗匹配欠佳?？梢?，采用帶空氣層的雙層微帶天線有效地改善了天線的阻抗匹配，天線的工作帶寬明顯大于普通單層微帶天線的帶寬。從圖10和圖11可知，普通微帶天線的輻射特性與帶空氣層的微帶天線的輻射特性基本相同。

通過以上分析我們可以得出，帶空氣層的微帶天線整體性能良好。該天線在保證寬帶工作的同時(shí)，天線具有很高的增益，且其后向輻射很低。

4 結(jié)語

本文采用帶空氣層的微帶天線來實(shí)現(xiàn)了天線的寬頻工作特性，并將該天線與普通單層微帶天線進(jìn)行了仿真分析對比。通過仿真結(jié)果分析表明，天線在保證寬帶工作的前提下，天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)的輻射特性良好。此外，所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)簡單，方便制作，在一定程度上減輕了天線的重量，從而節(jié)約了天線成本，在天線工程中具有良好的應(yīng)用前景。