矩形寬帶微帶天線的設計

0 引 言

20 世紀 70 年代初期，人們成功研制出一種新型天線，這 種天線被稱作微帶天線。微帶天線分為三個大類，分別為微 帶貼片天線、微帶縫天線和微帶行波天線。其中，微帶貼片天 線 [1-3] 使用的頻率較高，其特點是體積小、重量輕、效率高以 及頻率的選擇性較好。但頻率選擇性較好既是一種優(yōu)點，又 是一種缺點，該特點導致天線帶寬比較窄，具有一定的局限性。

1 寬帶微帶天線的設計

微帶天線可以類比為一個封閉的諧振腔，其諧振特性能 夠等效于一個并聯(lián)諧振電路，并具有高 Q 值 [4-6]?？傮w來說， 微帶天線具有阻抗帶寬較窄的固有缺點，這對其廣泛應用產(chǎn) 生了限制，因此需要擴展微帶天線的帶寬。近幾年，人們主要 采用增大基板厚度，降低介電常數(shù)，附加阻抗匹配網(wǎng)絡，采用 縫隙耦合饋電等方法來擴展微帶天線的帶寬。天線帶寬根據(jù) 微帶天線輸入端的電壓駐波系數(shù)來確定，范圍即電壓駐波系 數(shù)低于某一個特定值對應的頻段，天線的帶寬用微帶天線的 電壓駐波比來表示 [7,8] ：

 其中，Q=2pfWr/P，Wr=erV02/16pm0hf2（k0，a）2，P=Pr+Pd+Pc+PSw。 Pd 為導體損耗，Pc 為介質(zhì)損耗，Pr 為輻射損耗，后三者與 Pr 相比可忽略不計，因此可得 ：Q>>（er/hm0）A，A為常數(shù)。

從公式（1）中可以看出，當微波天線的駐波比 VSWR 值 一定時，改善天線帶寬的根本途徑是降低天線的品質(zhì)因數(shù) Q， 可以從以下幾個方面入手 ：

（1）選擇厚基片，輻射電導會隨其厚度的增加而增大， 輻射對應的 Qr 以及總的 Q 值會隨之下降。不過該方法的作用 有限，基片過厚導致基片厚度與波長之比過大，產(chǎn)生表面波 激勵，同時重量也會增大，占據(jù)空間隨之增大。本文實驗采 用同軸電纜對微帶天線進行饋電，而厚度的增大會導致探針 的電抗相應增加，使得天線的效率下降。此外，er 減小可使得 介質(zhì)對場的束縛減小，容易輻射，天線的儲能也會隨之減小， 使得輻射對應的 Qr 變小，帶寬變寬。但也存在局限，其最小 值為 1，等效于采用空氣介質(zhì)的情況。不過貼片單元和微帶饋 電的寬度都比較寬，輻射損耗需要得到抑制，相應的值比較 大。鐵氧體的基片材料能夠采用改變磁場的方式來改善帶寬， 但其損耗過高。

（2）使用改變貼片形狀的方式，使得儲存的能量得到最 大程度的輻射效能，如選用矩形環(huán)貼片或者圓形環(huán)貼片。矩 形環(huán)貼片相對容易制作，本文選取矩形貼片來增加帶寬。

（3）使用階梯型的基板。因為兩個輻射端口處的兩個諧 振器基板厚度不同，它們經(jīng)過階梯電容耦合會引起雙回路現(xiàn) 象 [9]，所以基板形狀的變化會使得頻帶帶寬得以擴展。

（4）采用多諧振點的疊加來實現(xiàn)帶寬的增加，既然一個 微帶天線貼片可以等效為一個并聯(lián)諧振回路，多個貼片可以疊 加多個相近的諧振頻率從而實現(xiàn)帶寬的增加。故可采用平面多 諧振結(jié)構(gòu)，即在同一個平面上擁有多個貼片，其中一片進行直 接饋電，其他貼片為寄生貼片。多層結(jié)構(gòu)即將兩塊或者更多的 貼片附在不同介質(zhì)片層上堆疊起來，其饋電方式分為電磁耦合 型和孔徑耦合型?？梢酝ㄟ^在微帶天線上加短路梢釘來調(diào)整 饋電探針的位置，從而激勵多種相近的諧振頻段。線極化的 微帶天線帶寬受制于阻抗帶寬，使用饋線匹配技術可以降低 其輸入電抗，由此帶寬得到了擴展。

2 寬帶微帶天線的仿真制作與測試

本節(jié)先通過 CST 仿真軟件來進行正方形貼片天線的 仿真，正方形貼片天線仿真圖如圖 1 所示，正方形銅片為 25 mm×25 mm，放置于介質(zhì)基板上，介質(zhì)基板的長寬分別是 59 mm 和 34 mm，厚度是 1 mm，兩者對稱分布。從 1 GHz到 12 GHz 取 30 個頻率點在頻域采樣仿真，精度為 10-6，使 用寬帶掃頻模式，使用波導端口對同軸線進行饋電，最終得到 的仿真結(jié)果如圖2所示。S11位于－10dB以下的頻率范圍為1.86 GHz 到 4.89 GHz，帶寬大致為 3 GHz，相對而言，帶寬得到 了一定擴展，仿真回波反射系數(shù)有兩個較低值，其最低值超過 了－30 dB。

進行正方形微帶貼片天線的制作，圖 3 所示即為本文所 制的正方形貼片天線。該天線由兩塊同樣大小的正方形銅貼片 構(gòu)成，饋電頭通過在介質(zhì)基板上打的孔與銅片相連，兩端分 別通過焊接的方式連接到介質(zhì)基板的兩塊正方形銅片上，該 介質(zhì)基板即制作巴倫偶極子天線所使用的 F4T。

最后進行實驗，通過矢量網(wǎng)絡分析儀測得該正方形貼片 天線的回波反射系數(shù)，寬帶微帶天線回波損耗實測結(jié)果如圖 4 所示。在 2 GHz 到 8 GHz 的頻率范圍內(nèi)，其回波反射系數(shù)均 低于－10 dB，在 5 GHz 以上時趨近于－10 dB，在 2.5 GHz 到 4 GHz 出頭的頻率范圍內(nèi)，其回波反射系數(shù)較低，其最低 值趨近于－30 dB?？傮w來說，實物效果與仿真結(jié)果較為一致， 帶寬效果比較好，超出實驗預期。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合仿真實驗實現(xiàn)了一種矩形寬帶微帶天線，仿真 實現(xiàn)了 3 GHz 的帶寬，同時實物實驗結(jié)果很好地驗證了寬帶 的特性。目前，除了實現(xiàn)天線寬頻化，實現(xiàn)天線多頻化、多極 化也是人們研究的熱點之一，希望本文能夠為研究者們提供新 的思路。