加載金屬背板對用于探地雷達的貼片天線的性能影響研究

【摘 要】本文通過對傳統貼片天線和背面加載了傳統金屬板的貼片天線性能的分析，提出了一種加載特殊金屬背板的新貼片天線，使其帶寬得到了明顯的改善。

【關鍵詞】貼片天線 金屬背板

新世紀以來，印制電路天線技術，特別是微帶貼片天線技術已經成為整個天線領域中一個不可取締的專門的天線技術分支，微帶貼片天線[1]是在帶有導體接地板的介質基板上印刻導體貼片構成的，貼片一般是矩形、圓形、蝶形等。相比于普通天線，微帶貼片天線主要有以下優(yōu)點：重量輕、體積小、剖面薄的平面結構，可以做成共形天線；制作成本低，可以應用PCB板技術大量生產制作；無需大的變動，天線就能容易的裝載在各種設備上天線的散射截面?。簧晕⒏淖凁侂娢恢镁湍塬@得圓極化或者線極化；通?？梢噪p頻率工作；適合組合式設計比如在天線基板上直接額添加放大器、調諧器和開關等固體器件；天線的饋線和匹配網格能與天線一同制作；對于制作成智能天線和有源天線有巨大潛力。但是與傳統天線相比的同時微帶貼片天線也有其缺點：頻帶窄、損耗大、從而增益偏低、大多數的微帶貼片天線只向半空間輻射、饋線和輻射源之間的隔離差、端射性能差、可能存在表面波等等一些問題。

一、加載傳統金屬背板的貼片天線性能

傳統用于加載在貼片天線背部的是一整塊金屬板，其主要目的是為了抑制背向輻射，因為電磁波不能透過金屬背板，所以當電磁波傳播到金屬背板時將會被完全反射回去，這樣使得電磁波只能夠從天線正面輻射出去，因此直接的增加天線的正面輻射，從而使得天線的增益得到提高。我們基于電磁仿真軟件CST（CST Design Environment（CST）是一套功能全面、計算結果準確的專業(yè)電磁仿真軟件，它的仿真結果與相對應的真實事物的檢測結果的一致性也已由大量實驗驗證）在設計之初，我們在已有的蝶形天線的基礎上采用離散端口饋電，對其背部加載金屬板，蝶形天線輻射板及金屬板采用銅材料，天線基本采用FR-4有耗介質板。這時通過圖一我們可見，由于貼片天線是諧振型天線，整個天線在0GHZ-3GHZ頻段內的諧振點被完全壓制，幾乎沒有任何通帶。通過對天線的輻射原理分析，我們發(fā)現加載整塊金屬背板大大的增加了貼片天線其等效電容，從而使得天線的諧振頻率也相應的提高。

二、加載特殊金屬背板的貼片天線性能

在上面對貼片天線背部加載整塊金屬板的性能分析基礎上，我們通過對金屬板的外形進行改進以達到降低天線的輸入阻抗為目的，將其重新加載在貼片天線背部。

結構中參數A和L為介質基板正面貼片天線的尺寸模型，加載在貼片背面的特殊金屬板是由長為W間距為G的正方形金屬格組成，通過對改進后的貼片天線進行仿真我們得到天線的S11參數曲線與不加特殊金屬板的同樣貼片天線的S11參數對比如下：

圖中紅色為背面加載了特殊金屬板的貼片天線S11參數曲線，綠色為不加任何材料的同樣貼片天線的S11參數曲線?？梢钥吹皆谖覀兲降乩走_需要的工作頻域內，加載了特殊金屬板的貼片天線其-10DB以下通帶在0.4GHZ-1.2GHZ頻段，而不加材料的貼片天線其-10DB以下通帶只是0.4GHZ-0.55GHZ頻段。加載了特殊金屬板貼片天線其相對帶寬達到了90%，是后者的4倍以上，真實的反應了特殊金屬背板對貼片天線帶寬的改善。

三、分析與總結

傳統的貼片天線之所以頻帶窄是因為其輸入阻抗隨頻率變化而不斷變化的原因，單一的加載完整的金屬背板并不能對貼片天線的輸入阻抗隨頻率的變化起到好的改善作用，然而通過在貼片天線背面加載特殊金屬板，由于金屬小方塊之間空隙的存在，金屬小方塊之間會有一個相互耦合作用，這個耦合作用使得天線的輸入阻抗在0.5GHZ-1GHZ頻段內變化時得到了補償，從而使得這時的貼片天線輸入阻抗近似為恒定值，因此才會產生如此寬的通帶。最后通過對以上三種仿真結果的分析，我們發(fā)現特殊金屬板確實對能用于探地雷達頻率段的貼片天線的寬帶起到了巨大的改善作用，這說明了其在貼片天線設計中的潛在價值，為未來貼片天線的發(fā)展提供了一個好的參考，以上結果我們只是通過人工粗糙的優(yōu)化得到，如果在MATLAB平臺上對加載特殊金屬板的貼片天線的結構參數進行遺傳算法，進化算法等優(yōu)化處理后，相信結果會更令人滿意。

參考文獻：

[1]《介質埋藏微帶天線》，倪國旗主編，國防工業(yè)出版社，2012年

作者簡介：

郭明（1990-），男，湖北潛江人，在讀碩士，2011年畢業(yè)與長江大學地球物理與石油資源學院，長江大學2011屆地球探測與信息技術專業(yè)研究生，研究方法：地質工程。