S波段微帶寬頻帶貼片天線設(shè)計(jì)

摘 要

本文利用微波天線的設(shè)計(jì)技術(shù)，同時(shí)結(jié)合某種無線設(shè)備的相關(guān)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)了一種工作在S波段的微帶寬頻帶天線，在設(shè)計(jì)工程中，為了拓寬頻帶寬度，采用E型貼片來進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對E型貼片的開槽尺寸的確定方法進(jìn)行了相關(guān)的討論。同時(shí)在設(shè)計(jì)中采用SMA接頭，最后利用電磁場仿真軟件HFSS對設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行仿真，結(jié)果為：天線的工作頻率滿足：2.05-2.35GHz，帶內(nèi)駐波：≤1.5，正交極化：優(yōu)于15dB。

【關(guān)鍵詞】微帶天線 線極化 E型貼片 寬頻帶

微帶天線具有低成本、低剖面、輕重量、易于共形等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)。但微帶天線有其固有缺陷，即帶寬比較窄，一般只有5%左右，因此展寬微帶天線的帶寬具有十分重要的意義。目前，隨著微帶天線的應(yīng)用越來越廣，對于如何展寬天線的帶寬已經(jīng)出現(xiàn)了很多有效的方法，其基本方法有以下幾種：

（1） 增大微帶介質(zhì)的厚度；

（2）降低微帶介質(zhì)的介電常數(shù)；

（3）采用有耗介質(zhì)；

（4）附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等。

其中最具代表的足附加寄生貼片和表面開槽的方法。前兩種方法制作起來比較簡單，容易加工；第三種方法以天線增益的降低為代價(jià)；第四種方法需要設(shè)計(jì)寬帶匹配電路，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作難度大。本文這個(gè)天線頻帶就比較寬，僅靠單個(gè)貼片很難實(shí)現(xiàn)的，通過查閱相關(guān)資料，我們決定采用E型貼片來擴(kuò)展帶寬，采用雙側(cè)結(jié)構(gòu)來提高增益。同時(shí)設(shè)計(jì)了合理的饋電結(jié)構(gòu)，通過仿真調(diào)整各個(gè)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了能滿足應(yīng)用需要的天線設(shè)計(jì)模型。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的微帶天線采用E型貼片的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。該模型的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該天線主要由金屬底板、E型輻射貼片和寄生輻射單元組成，兩層輻射元均印制在厚度為1mm的FR4介質(zhì)板上。底板與下層之間、下層與上層印制板之間分別用厚度為h1和h2的空氣層隔開，并在四周用加工的FR4材料結(jié)構(gòu)很好地支撐。天線通過探針對下層的E型貼片饋電，E型貼片通過耦合作用激勵(lì)上層的寄生元。E型貼片長為L，寬為W，貼片上兩條間距為Ps的對稱窄縫長度Ls，寬度Ws，中間凹陷深度s，寄生貼片長度Lp，寬度Wp。而寄生輻射單元如下方法設(shè)計(jì)：

1.1 基片的選擇

基片材料板一般由低損耗介質(zhì)單面或雙面敷銅、敷鋁、敷金組成。基片材料一般有聚四氟乙烯、聚苯乙烯、陶瓷等，選擇各種基片，由工作頻率及應(yīng)用條件所決定。例如，低頻帶天線則要用高介電常數(shù)基片，以減小尺寸。選擇基片時(shí)應(yīng)考慮基片的多種性質(zhì)：介電常數(shù)和損耗角正切以及他們隨穩(wěn)定和頻率的變化，均勻性，穩(wěn)定系數(shù)和穩(wěn)定范圍，天線尺寸隨工藝過程及溫度和濕度變化的穩(wěn)定性，基片厚度的均勻性等，此外還有抗化學(xué)性，拉伸強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，柔韌性，可加工性，抗沖擊性，可成形及可粘合性等。

1.2 單元寬w

根據(jù)要求的工作頻率f和基片厚度h可用文獻(xiàn)[3]中的公式設(shè)計(jì)出高效率貼片的寬度：

當(dāng)選用小于上式的寬度時(shí)，輻射效率將降低。而選用大于上式寬度時(shí)，雖然輻射效率較高，但這時(shí)將產(chǎn)生高次模，從而引起場的畸變。

1.3 單元長度L

矩形微帶元的長度一般為λg/2，λg是等效介質(zhì)中的波長：

2 仿真結(jié)果

圖2所示是利用高頻電磁場仿真軟件HFSS建立的天線仿真模型。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，天線的極化方式是線極化，同時(shí)帶內(nèi)駐波要不大于1.5，通過仿真和優(yōu)化，基本上滿足要求，圖3所示為天線的最終尺寸。

通過HFSS仿真軟件獲得比較理想的駐波、交叉極化以及增益，具體的參數(shù)結(jié)果如圖4～6所示。

由仿真結(jié)果可以看出，在要求的頻帶內(nèi)，駐波比均在1.4以下，交叉極化也滿足了要求，在要求的頻帶里增益全都在7.1上8以下。通過分析相關(guān)參數(shù)，由于帶寬高于10%，屬于寬帶微帶天線，而我們所仿真的結(jié)果顯示這種E型貼片的確拓寬了帶寬，但同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)它的增益最高也只有7點(diǎn)多，很難達(dá)到高增益，如果我們只是要拓寬帶寬，選擇E型貼片可以完成要求，但如果要做到寬頻帶高增益，我們就應(yīng)該尋求其他方法，因?yàn)镋型天線很難達(dá)到高增益。

3 結(jié)論

本文給出了一種工作在S波段的微帶寬頻帶天線的設(shè)計(jì)過程。天線采取同軸饋電，利用E型貼片以及多層結(jié)構(gòu)來拓寬帶寬。同時(shí)本文利用行業(yè)里較為常用的高頻電磁仿真軟件HFSS驗(yàn)證仿真的可行性，并為下一步實(shí)物的制作提供了參考數(shù)據(jù)。此外在本文還反映了一個(gè)問題就是E型貼片天線的增益不高，但是在擴(kuò)寬頻帶方向有很好的效果，如果在增益要求不是很高的情況下可以考慮用這種方法來展寬頻帶。

參考文獻(xiàn)

[1]付永慶，柯林，王玉峰.三層寬頻帶微帶天線的設(shè)計(jì)[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2006，26（04）：304-306.

[2]王玉峰，周汀，崔景波，林鑫超.寬頻帶E形層疊微帶天線設(shè)計(jì)[J].無線學(xué)報(bào)，2008（01）：181-184.

[3]魏文元，宮德明，陳必森.天線原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，1985.

[4]閔剛，武永剛.基于HFSS的雙層寬帶微帶貼片天線的研究[J].電子技術(shù)（上海），2009（06）：65-66.

[5]Sajid M.Asif，Adnan Iftikhar，Saeed M.Khan，Muhammad Usman，Benjamin D.Braaten. An E-shaped microstrip patch antenna for reconfigurable dual-band operation[J].Microw.Opt. Technol.Lett.，2016，Vol.58（06）.

作者簡介

方婕（1988-），女，山西省運(yùn)城市人。碩士學(xué)位?，F(xiàn)為晉中學(xué)院信息技術(shù)與工程學(xué)院助教，從事嵌入式、高頻電子電路研究。

作者單位

晉中學(xué)院 山西省晉中市 030600