一種新型U型槽寬頻微帶天線

李鶴言，李 萍

(1.武警工程學(xué)院研究生管理大隊，陜西西安 710086;2.武警工程學(xué)院通信工程系，陜西西安 710086)

由于微帶天線具有體積小、剖面低、重量輕、易饋電以及易與載體共形安裝等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于測量和通訊的各個領(lǐng)域。但是，由于微帶天線是一種諧振式天線，高Q特性決定了其帶寬較窄。針對擴展微帶天線的頻帶問題，已經(jīng)有很多設(shè)計方法，如增加寄生單元、增加匹配網(wǎng)絡(luò)、縫隙耦合饋電、采用多層結(jié)構(gòu)等。文中利用加載U型槽的方法產(chǎn)生新的諧振點，從而達到增加微帶天線帶寬的目的。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該天線為單層矩形結(jié)構(gòu)，因此保證了天線的低剖面性，且在實際應(yīng)用中制作簡單、成本低廉。介質(zhì)層尺寸為L×W，厚度為h，相對介電常數(shù)為εr;沿天線縱軸方向加載兩對稱U型槽，橫向槽長度為lf，豎向槽長度為wf，槽寬度為d。

設(shè)計通過輻射板上加載兩U型槽，增加了電流路徑，在邊緣處產(chǎn)生反向電流激勵，從而產(chǎn)生新的諧振點，當(dāng)新的諧振頻率與原諧振頻率很接近時，微帶天線的帶寬便得到展寬。同時，基板厚度h和介電常數(shù)εr均對微帶天線的帶寬有影響。h越大，頻帶越寬，但厚度加大使得天線尺寸增大，破壞天線的低剖面，且會引起表面波的明顯激勵。εr與天線的尺寸成反比且其越高天線的帶寬越窄。因此，設(shè)計中應(yīng)綜合考慮選擇適當(dāng)?shù)幕褰殡姵?shù)與厚度。為便于天線組陣時功率的平均分配，采用一分二功分器結(jié)構(gòu)，枝節(jié)參數(shù)利用TXline軟件計算得出。

2 天線仿真分析

以圖1的天線結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用介電常數(shù)εr=2.94的介質(zhì)材料，設(shè)計了一個中心頻率在13.5 GHz的天線，并使用電磁仿真軟件HFSS 13.0進行仿真分析。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

該天線可以產(chǎn)生兩個諧振點，由于U型槽對微帶天線頻率的諧振點和帶寬有很大影響，在此重點討論U型槽不同參數(shù)對天線的影響。因為不希望多余的諧振點產(chǎn)生，故文中將兩個U型槽的橫向長度與豎向長度設(shè)為一樣。為研究方便，設(shè)定其他的參數(shù)為定值，分別改變lf、wf及d的值以考察其對天線性能的影響。

當(dāng)增加U型槽橫向長度lf和豎向長度wf時，電流路徑增加，諧振點位置隨之變化，高、低頻諧振點均向低頻移動，且高頻諧振點移動速度較快，如圖2和圖3所示。U型槽寬度d對低頻諧振點帶寬影響不大，只是發(fā)生了輕微的偏移，高頻諧振點向低頻移動，如圖4所示。

優(yōu)化U型槽各參數(shù)后，繼而研究改變U型槽與貼片的相對位置以及在地板上的位置對天線各參數(shù)的影響。仿真得知，當(dāng)介質(zhì)板厚度h從1.316～1.716 mm以步進0.1 mm變化時，天線回波損耗較為明顯，最大增益變化不大，天線在諧振點12.83 GHz及15.06 GHz的阻抗帶寬與增益變化如表2所示。而兩U型槽間距a以中心波長λ=21.4 mm為參考點左右各1 mm范圍內(nèi)變化時，天線回波損耗和最大增益幾乎不變。

表1 天線參數(shù)取值

表2 不同h值天線參數(shù)變化

通過仿真分析，調(diào)節(jié)各參數(shù)使兩諧振點最優(yōu)組合，得到S11性能最好的結(jié)果，優(yōu)化后天線參數(shù)設(shè)計如表1所示。

3 結(jié)束語

微帶天線的窄頻帶特性限制了微帶天線的大范圍使用，文中通過Ansoft HFSS 13.0軟件建立天線模型并進行仿真分析，提出了在天線輻射板上加開對稱U型槽的優(yōu)化方法，明顯改善了天線的電性能參數(shù)。

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