一種Ku波段寬頻帶微帶天線的仿真設(shè)計(jì)

1 引言

微帶天線由于其體積小、重量輕、剖面低、易于和載體共形、及易于加工和電路集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，在通信和雷達(dá)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是其固有的頻帶窄，一般典型微帶天線的帶寬在0.7%到7%左右，功率容量低，限制了其應(yīng)用。近年來(lái)許多國(guó)內(nèi)外的天線工作者在圍繞如何展寬微帶天線的帶寬上做了大量的研究，也取得了顯著的成果，具體可以歸納為以下幾種方法：1增加介質(zhì)基板的厚度，降低介質(zhì)的介電常數(shù);2對(duì)饋電電路采用寬帶阻抗匹配(如采用阻抗匹配電路或開(kāi)縫耦合饋電等);3采用層疊貼片實(shí)現(xiàn)多貼片諧振;4采用開(kāi)槽加載技術(shù);5修改貼片形狀;6新型基片材料的使用。在通常情況下，可以采用多種方法相結(jié)合的方法，這樣往往能夠取得比較好的效果。

在諸多方法中采用口徑耦合饋電擴(kuò)展微帶天線的帶寬是比較成功的一種方法。這種耦合饋電的方法最早是由Pozar于1985年提出的，與傳統(tǒng)的同軸饋電或側(cè)饋相比，縫隙耦合饋電結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是，這種饋電結(jié)構(gòu)更適合電路的集成;由于采用了不共面的設(shè)計(jì)，由地面把輻射部分和饋電結(jié)構(gòu)隔開(kāi)，減少或消除了饋電結(jié)構(gòu)對(duì)天線方向圖的寄生輻射影響，能獲得寬頻帶的駐波比特性。Vivek通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法研究了幾種開(kāi)不同的耦合槽對(duì)天線耦合量的影響，實(shí)驗(yàn)證明開(kāi)H型耦合槽可以得到較大的耦合量，開(kāi)H形槽耦合的微帶天線一般可以獲得10%(VSWR<2)左右的相對(duì)帶寬,而且具有良好的交叉極化性能。文獻(xiàn)使用了H型槽耦合饋電達(dá)到了寬頻帶和高增益的較好效果。通過(guò)修改H型槽從而獲得了良好的極化效果和寬頻帶特性。此外，改進(jìn)了H型耦合饋電的結(jié)構(gòu)，在H型槽耦合饋電的基礎(chǔ)上，在輻射貼片上也開(kāi)H型槽，增強(qiáng)了饋線與貼片之間的耦合，從而擴(kuò)展了天線的帶寬。

在以上的研究基礎(chǔ)上，本文采用了H型槽耦合饋電，并在輻射貼片邊緣處開(kāi)縫的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)較寬頻帶的阻抗帶寬。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)該種新結(jié)構(gòu)的微帶天線在中心頻率14.5GHz能夠達(dá)到39.8%的阻抗相對(duì)帶寬(S11<-10db)。表明該結(jié)構(gòu)能夠有效地展寬微帶天線的帶寬。

2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

這種寬頻帶微帶天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1(a)是天線的側(cè)視圖，它是由四層介質(zhì)和貼片構(gòu)成的。其中第二層介質(zhì)Foam是介電常數(shù)為1.0006的泡沫塑料，其他三層介質(zhì)均是介電常數(shù)為2.2的Rogers RT/duroid 5880 (tm)材料，er0=er2=er3=2.2，er1=1.0006。天線最上方的一層Radome是由介質(zhì)板構(gòu)成的天線罩，用來(lái)保護(hù)天線表面，它對(duì)天線的方向圖、輻射效率、增益都略有影響。

天線的主體是由中間的兩層介質(zhì)板組成，如圖1(a)所示。Foam是一層介電常數(shù)很低的泡沫塑料，對(duì)輻射貼片起支撐作用。增加該層介質(zhì)基板的厚度H1，減小其介電常數(shù)er1均能起到增加微帶天線的阻抗帶寬的效果，但是厚度增加會(huì)使貼片與縫隙之間的耦合減弱，表面波增強(qiáng)，而且天線的尺寸增大，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮。Foam上附著的是矩形輻射貼片，如圖1(b)所示。輻射貼片的長(zhǎng)度L1決定了天線的諧振頻率，由于縫隙耦合使得諧振長(zhǎng)度與理論值

有較大的出入，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要把耦合縫隙的尺寸和貼片的尺寸結(jié)合起來(lái)考慮。寬度W1對(duì)方向圖、頻帶寬度和輻射效率都有影響，當(dāng)寬度取大時(shí)對(duì)頻帶、效率和阻抗匹配都有利，但是當(dāng)W1大于一定值時(shí)會(huì)產(chǎn)生高次模，引起場(chǎng)的畸變。理論研究表明當(dāng)輻射貼片的寬度是長(zhǎng)度的2倍時(shí)，阻抗帶寬能增加1.6倍左右。

本文在設(shè)計(jì)時(shí)利用了高次模的影響，取寬度接近于長(zhǎng)度的2倍，具體的尺寸在仿真優(yōu)化時(shí)可以得到。我們?cè)谫N片的邊緣處分別開(kāi)了矩形窄縫，因?yàn)榭p隙很窄且靠近貼片的輻射邊緣， 所以他對(duì)貼片自身的諧振頻率點(diǎn)幾乎沒(méi)有影響，然而由于窄縫的存在，其自身相當(dāng)于一個(gè)縫隙輻射器，又能得到一個(gè)新的諧振頻點(diǎn)，并且該頻點(diǎn)是由縫隙的長(zhǎng)度決 定，當(dāng)這兩個(gè)諧振頻率點(diǎn)拉的很近時(shí)，就起到了擴(kuò)展帶寬的效果。

在兩層介質(zhì)板之間是開(kāi)有H型耦合孔徑的接地板，如圖1(c)所示。其中H型槽尺寸對(duì)天線的諧 振頻率及諧振阻抗都有較大的影響，文獻(xiàn)[9]研究表明：la、wb長(zhǎng)度增長(zhǎng)，諧振頻率降低，諧振阻抗增加，這表明增長(zhǎng)縫隙長(zhǎng)度，饋線與貼片之間的能量耦合 能力增強(qiáng)。H型槽縫隙的寬度lb、wa對(duì)天線的諧振頻率和諧振電阻也有影響，只不過(guò)影響程度小于縫隙的長(zhǎng)度。通常在設(shè)計(jì)時(shí)，為了減少背向輻射，縫隙的寬度 取較小的值，然后再通過(guò)固定縫隙的一個(gè)長(zhǎng)度，對(duì)另一個(gè)長(zhǎng)度進(jìn)行仿真優(yōu)化，而獲得理想結(jié)果。

(a) 天線側(cè)視圖

(b) 輻射貼片

(c) 接地板

圖1 微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖

在接地板和饋線之間是一層介質(zhì)板，理論上說(shuō)其介電常數(shù)越大對(duì)波的束縛作用越好，減少漏波，增大能量耦合效率。饋電網(wǎng)絡(luò)采用50歐姆的微帶開(kāi)路線，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)路枝節(jié)ls的長(zhǎng)度來(lái)改善輸入端口的阻抗特性，來(lái)實(shí)現(xiàn)輻射貼片的寬頻帶匹配。為了減小H型槽耦合饋電帶來(lái)的背向輻射，在天線的底部加入一反射板(Reflector)，以提高天線的增益和改善天線方向圖的前后比。[!--empirenews.page--]

3 仿真及分析

本文利用基于有限元方法的數(shù)值仿真軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在Ku波段的線極化微帶天線。由于該結(jié)構(gòu)天線的參數(shù)較多，在仿真設(shè)計(jì)時(shí)我們根據(jù)理論分析了解每個(gè)參數(shù)對(duì)天線性能的可能影響，然后再分別對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，因此這個(gè)過(guò)程是個(gè)不斷修正不斷往復(fù)的過(guò)程，直至最終獲得滿意的結(jié)果。經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化后天線的尺寸如表1所示。

仿真得到的天線反射系數(shù)(S11)圖如圖2所示，由圖可知，該天線S11<-10db的阻抗帶寬為11.66GHz~17.45GHz，達(dá)到了39.8%的相對(duì)帶寬。優(yōu)于同軸探針饋電和僅使用H型槽耦合饋電的微帶天線。仿真結(jié)果表明，采取H型槽耦合饋電，并在輻射貼片上開(kāi)縫結(jié)構(gòu)的微帶天線具有寬頻諧振特性。

表1  天線結(jié)構(gòu)尺寸（單位：mm）

圖2 S11曲線

圖3分別給出了天線在15GHz的E面和H面方向圖，以及各自的交叉極化方向圖。由圖可知，天線E面和H面的半功率波束寬度(HPBW)分別是65°和58°。交叉極化電平分別小于-38db和-28db, 可見(jiàn)該天線的交叉極化特性良好。E面和H面的天線方向圖前后比分別優(yōu)于19db和26db，可見(jiàn)由于反射板的存在，抑制了天線的背向輻射，而且提高了天線的輻射效率。這些結(jié)果表明了該結(jié)構(gòu)微帶天線具有良好的電性能和輻射特性，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

4 結(jié)論

本文提出了一種在輻射貼片上開(kāi)縫并使用H型槽耦合饋電的微帶天線結(jié)構(gòu)，并利用高頻數(shù)值仿真軟件對(duì)天線結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了仿真優(yōu)化，設(shè)計(jì)出了一種工作于Ku波段的天線。與傳統(tǒng)的H型槽耦合饋電微帶天線相比，在輻射貼片和開(kāi)有H型耦合孔徑的接地板之間加入了低介電常數(shù)的泡沫塑料，并且在輻射貼片的寬邊上開(kāi)有兩個(gè)窄縫隙，從而擴(kuò)展了天線的阻抗帶寬。仿真結(jié)果顯示該天線獲得了39.8%的相對(duì)阻抗帶寬，交叉極化電平小于-28db，天線方向圖前后比優(yōu)于19db。表明該結(jié)構(gòu)天線具有良好的寬頻諧振特性和輻射特性。該天線可以應(yīng)用于Ku波段的衛(wèi)星通訊中。

圖3 天線E面、H面及其交叉極化方向圖