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雙層寬頻微帶天線設(shè)計
摘要: 微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上附加導(dǎo)體貼片而構(gòu)成的天線,采用微帶線或者同軸探針對貼片進行饋電,在貼片和接地板之間激勵起電磁場,通過貼片與縫隙向外輻射
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0 引言

微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上附加導(dǎo)體貼片而構(gòu)成的天線,采用微帶線或者同軸探針對貼片進行饋電,在貼片和接地板之間激勵起電磁場,通過貼片與縫隙向外輻射。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,而廣泛應(yīng)用于測量和通訊各個領(lǐng)域。但是,由于微帶天線是一種諧振式天線,高Q 特性也就決定了其輸入阻抗對頻率變化很敏感,導(dǎo)致了貼片天線的頻帶較窄( 一般頻帶的相對帶寬只有 2%~ 5%) 。

對于工作在北斗頻段的微帶天線而言,由于帶寬較窄,所以對工作頻點的準確性有很高的要求,外界環(huán)境的微小變化都有可能使得頻點發(fā)生漂移,導(dǎo)致天線無法正常工作,為了解決這個問題,可以擴寬微帶天線在頻點周圍的頻帶,這樣即使發(fā)生了頻點漂移,天線的工作頻點依然可以保持在天線的工作帶寬范圍內(nèi)。

針對擴寬微帶天線的頻帶問題,已經(jīng)有了很多設(shè)計方法: 增加介質(zhì)基板的厚度,但這樣會引入表面波損耗;減小介質(zhì)的相對介電常數(shù),但是會使基板的尺寸加大;增加寄生單元,同樣會使基板的面積加大; 增加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò); 縫隙耦合饋電; 采用多層結(jié)構(gòu)等。

本文采用在雙層貼片間加入空氣層的結(jié)構(gòu),利用兩個貼片之間的相互耦合作用,產(chǎn)生兩個相近的諧振頻率點,從而達到增加微帶天線頻帶寬度的目的。下面對該微帶天線結(jié)構(gòu)、理論和仿真結(jié)構(gòu)進行論述,并在最后給出了結(jié)論。

1 微帶天線的設(shè)計

1. 1 雙層微帶天線的結(jié)構(gòu)

微帶天線的結(jié)構(gòu)如圖1 所示,與傳統(tǒng)微帶天線采用同軸探針對貼片進行饋電不同,本文采用了正交微帶線對貼片進行饋電,這樣既可以避免因為同軸探針的使用而引入電感,對天線的阻抗匹配帶來不便,也可以簡單地實現(xiàn)天線的圓極化功能。兩條正交微帶線的寬度相同,均為W1。此外,從圖中可以看到,在兩個貼片之間加入了空氣層,使其起到降低介電常數(shù)的作用,從而達到增加頻帶寬度的目的。

圖1 雙層微帶天線的俯視圖與側(cè)視圖。

1. 2 雙層微帶天線的理論分析

具體的推導(dǎo)步驟如下,假設(shè)下層貼片的諧振頻率為f 01 ,邊長為Le1 ,上層貼片的諧振頻率為f 02 ,邊長為Le2 ,有:

 

式中: c 為自由空間中的光速。

 

式中: ε1 和ε2 分別代表底層介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)和上層介質(zhì)基板的相對介電常數(shù); h1 代表底層介質(zhì)基板的厚度; h2 代表空氣層的厚度。

 

式中: L ei 與L i 分別表示貼片的實際邊長和貼片的伸長量; εei 為有效介電常數(shù)。

1. 3 雙層微帶天線的尺寸參數(shù)

本文采用的基板是T ACNIC 公司的介質(zhì)基板,1 = 2. 65,h = 0. 5 mm。其中,上貼片L 2 = 95 mm,下貼片L 1 = 70 mm; 底層介質(zhì)基板的厚度為h1 = 1 mm,中間空氣層的厚度為h2 = 13 mm,介電常數(shù)為2 = 1 0( 也可以采用介電常數(shù)接近于1 的泡沫材料代替空氣層,本文選擇用空氣層來達到降低有效介電常數(shù)的目的) 。經(jīng)過多次仿真實驗,發(fā)現(xiàn)當W1 = 6. 4 mm 時,微帶天線可以得到較好的阻抗匹配。

1. 4 雙層微帶天線的仿真結(jié)果與分析

根據(jù)上述各個參量值,采用A nsoft 公司的HFSS對本文所設(shè)計的微帶天線進行了仿真,仿真結(jié)果如下:

圖2 給出了S11<= - 10 dB 時的微帶天線的頻帶展寬情況,圖3 則給出了VSWR <= 2 時,微帶天線的頻帶展寬情況。

STyle="FILTER: ; WIDTH: 450px; HEIGHT: 344px" height=344 alt="S11 <=- 10 dB 時,微帶天線的頻帶展寬情況" hspace=0 src="http://files.chinaaet.com/images/20110105/64bd0cef-994b-4b9c-b63c-5d1c74bd9df0.jpg" width=450 border=0>

圖2 S11 <=- 10 dB 時,微帶天線的頻帶展寬情況。

圖3 VSWR <=2 時,微帶天線的頻帶展寬情況。

從圖2,圖3 中可以看出,微帶天線的工作頻帶在1. 206~ 1. 346 GHz 之間,中心頻率為1. 276 GHz,與北斗頻點1. 268 GHz 相距很近,頻帶寬度達到了BW=140 MHz,相對寬度為11. 04%,遠遠超過了普通微帶矩形貼片天線的工作帶寬的范圍( 一般普通的微帶天線相對帶寬在2% ~ 5% 左右) 。適當?shù)恼{(diào)整空氣層的厚度還可以控制諧振點的變化。此外,從圖2,圖3 中還可以看到,在工作的頻帶范圍內(nèi)有2 個諧振頻點,這是由上,下2 個貼片各自諧振而引起的,可見雙層貼片可以產(chǎn)生兩個諧振點,進而可以有效地達到展寬微帶天線頻帶的目的。

由圖4 可以看到,雙層微帶天線的增益達到了5. 2 dB,較之傳統(tǒng)的微帶天線增益有少許增加,由此可見,雙貼片的微帶天線在提高增益方面也有一定的貢獻。若要大幅度提高微帶天線的增益,則可以在頂層貼片上再覆蓋一層ε r》 1 的介質(zhì)基板即可。

從圖5 中可以看出,微帶天線的部分軸比小于3 dB,從而實現(xiàn)了天線的圓極化,但是微帶天線的最大輻射方向偏離軸向,天線的軸向比變差。該微帶天線基本可以滿足圓極化的要求。

圖4 微帶天線的增益。

圖5 微帶天線的軸比仿真圖。

2 結(jié) 論

針對微帶貼片天線頻帶較窄的特點,本文提出了一種利用正交微帶線進行饋電的雙貼片微帶天線結(jié)構(gòu)。

在VSWR<=2 時,頻帶范圍在1. 206~ 1. 346 GHz之間,帶寬達到了140 MHz,相對帶寬達到了11. 04%。在工作頻段內(nèi),天線的增益有稍許提高,軸比可以接受,所以此天線結(jié)構(gòu)是一種比較經(jīng)濟實用的微帶天線結(jié)構(gòu)。

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