可展寬頻帶的小型化微帶天線設(shè)計(jì)

陳 建，翁海峰，田印炯

(杭州電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，浙江杭州310018)

0 引言

由于剖面低、體積小、重量輕，具有平面結(jié)構(gòu)等特性，微帶天線得到了廣泛的應(yīng)用。但由于容易發(fā)生諧振，微帶天線相對(duì)帶寬僅有1% －7%，無法滿足現(xiàn)代許多無線電頻帶的要求［1］。為了提高天線的帶寬，研究人員研究出不少技術(shù)來解決上述問題。文獻(xiàn)2描述了一種U型寄生貼片的微帶天線。文獻(xiàn)3設(shè)計(jì)了L波段小型化同軸擴(kuò)張型天線。由于這些天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，使用不便，使其在實(shí)際應(yīng)用中受到了一定的限制。本文設(shè)計(jì)了一款新型的單貼片寬頻帶微帶天線，通過對(duì)矩形貼片天線進(jìn)行切角改變電流路徑，從而出現(xiàn)兩個(gè)諧振頻率，當(dāng)諧振頻率相互靠近時(shí)，使天線帶寬得以增加。相比于文獻(xiàn)中提到的天線，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于與其它微波器件集成。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

微帶天線的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1(a)為微帶天線的幾何形狀。貼片天線的尺寸為(W，L)。通過同軸探針加饋點(diǎn)。切角增加了天線帶寬，切角為半徑Rs的扇形。中心切“梅花”減小了貼片尺寸，其半徑為0.5Rx。Rx為“梅花”花瓣半徑。半徑Rs和Rx是兩個(gè)重要參數(shù)。圖1(b)為介質(zhì)基板結(jié)構(gòu)。

本設(shè)計(jì)的微帶天線采用相對(duì)介電常數(shù)為4.4，寬W=53.6mm，長(zhǎng)L=58mm，切角半徑Rs=12.4mm，切圓半徑Rx=7mm。天線采用50Ω的同軸線饋電。

圖1 天線整體結(jié)構(gòu)

微帶天線產(chǎn)生寬頻帶機(jī)理的基本原理如圖2所示。對(duì)于普通的矩形貼片天線，其諧振頻率與矩形貼片天線長(zhǎng)度的關(guān)系如下［4］:

式中，L、W分別為貼片天線的長(zhǎng)度和寬度，h為介質(zhì)基板的厚度，εr為相對(duì)介電常數(shù)，ΔL是開路端縫隙的邊緣效應(yīng)所引起的輻射端電納的等效延伸長(zhǎng)度，εe為等效介電常數(shù)。

普通的微帶貼片天線通過LC諧振電路來模擬。L和C的值由電流的路徑長(zhǎng)度決定。在圖2(a)中，矩形微帶貼片天線等效為L(zhǎng)和C并聯(lián)。電流從饋點(diǎn)向貼片的頂部和底部流動(dòng)。在圖2(b)中，對(duì)普通貼片進(jìn)行了切角，改變了貼片的物理長(zhǎng)度，電流的流動(dòng)路徑也將發(fā)生變化，諧振頻率也將發(fā)生改變。對(duì)于切角部分，邊界條件改變，減少了電流流動(dòng)路徑。激勵(lì)起高次模，產(chǎn)生附加高頻。通過增加一系列的電容Δc來等效，因此部分等效電路在高頻部分諧振。在圖2(c)中，由于電流必須經(jīng)過貼片中心，所以“梅花”四周聚集了大量電流，增加了電流的路徑。這個(gè)效應(yīng)可以通過增加一系列的電感ΔL來模擬?；谝陨侠碚摲治隹梢缘贸?(1)如果等效電感起主要作用，電流路徑增加，所有諧振頻率將向左偏移，當(dāng)電流路徑足夠大時(shí)，高頻諧振將會(huì)消失;(2)如果等效電容起主要作用，將會(huì)出現(xiàn)高頻諧振。因此，天線由單個(gè)LC諧振頻率電路變?yōu)殡p諧振頻率電路。當(dāng)兩個(gè)諧振頻率相互耦合時(shí)，形成一個(gè)寬頻帶。

圖2 微帶天線電路分析

2 數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證以上分析的正確性，對(duì)天線進(jìn)行了加工測(cè)試，加工的天線如圖3所示。圖3中靠近”梅花”白點(diǎn)的部分是饋點(diǎn)焊接點(diǎn)，通過背饋進(jìn)行測(cè)試。仿真和測(cè)試的結(jié)果如圖4所示。

圖4中，仿真天線的兩個(gè)諧振頻率分別是1.87GHz和2.06GHz。而實(shí)測(cè)天線的諧振頻率分別為1.85GHz和1.98GHz，通過兩個(gè)頻率相互間的耦合，天線的帶寬得以增加。天線的帶寬達(dá)到了290MHz，相對(duì)帶寬為15%。由于周圍測(cè)試環(huán)境的影響以及介質(zhì)基板的介電常數(shù)不均勻等因數(shù)，測(cè)試結(jié)果與仿真有一定偏差，但基本吻合。

圖3 天線實(shí)物

圖4 天線仿真與測(cè)試結(jié)果

諧振頻率分別為1.87GHz和2.06GHz貼片天線的輻射方向圖分別如圖5、6所示。由圖5、6可知:天線在所設(shè)計(jì)的頻率范圍內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定。頻率在1.87GHz時(shí)，天線的E面和H面半功率波束寬度分別為90°和96°，最大方向性增益為8.3dB;頻率在2.06GHz時(shí)，天線的E面和H面半功率波束寬度分別為89°和95°，最大增益都為8.6dB。效果明顯好于普通的微帶天線。

圖5 1.87GHZ天線輻射方向圖

圖6 2.06GHZ天線輻射方向圖

半徑Rs與S11的關(guān)系如圖7所示。由圖可以看出:隨著Rs的增大，高頻諧振頻率不斷向右偏移，主要因?yàn)殡SRs的增大電流路徑不斷減小，產(chǎn)生高頻;而低頻諧振頻率并沒有太大變化。從而驗(yàn)證了前述切角理論分析的正確性。通過適當(dāng)調(diào)節(jié)Rs的大小，可以獲得想要的帶寬和諧振頻率，繼續(xù)增大Rs，可以出現(xiàn)雙頻天線。

半徑Rx與S11的關(guān)系如圖8。由圖可以看出:隨著Rx的增大，天線的兩個(gè)諧振頻率不斷向左偏移。根據(jù)天線諧振頻率公式，要保證天線的諧振頻率不變，就需要減少天線尺寸，這樣就達(dá)到了天線小型化目的［5－7］。當(dāng)Rx足夠大時(shí)，天線的高頻諧振頻率將消失。驗(yàn)證了前述切“梅花”理論分析的正確性。

圖7 不同半徑Rs的貼片天線仿真

圖8 不同半徑Rx的貼片天線仿真

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過理論分析，數(shù)值仿真和實(shí)物測(cè)試，設(shè)計(jì)了一款尺寸比較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便的微帶天線，通過切角改變電流路徑，產(chǎn)生附加頻率，當(dāng)兩個(gè)頻率相互耦合時(shí)增加帶寬，其帶寬為290MHz。通過切“梅花”增加電流路徑，實(shí)現(xiàn)了微帶天線的小型化。滿足現(xiàn)代許多無線電通信的要求，具有一定的應(yīng)用前景。

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