雙層寬頻微帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

摘 要:微帶天線(xiàn)的窄頻帶特性是限制其廣泛應(yīng)用的重要原因之一，因此，如何展寬微帶天線(xiàn)的帶寬的問(wèn)題一直受到研究人員的關(guān)注。通過(guò)采用雙層多貼片及在兩貼片之間加入空氣層的結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到增加微帶天線(xiàn)帶寬的目的。此外，利用微帶線(xiàn)進(jìn)行正交饋電，在滿(mǎn)足寬頻帶的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)的圓極化。由貼片間的諧振耦合作用，該天線(xiàn)的頻帶展寬為1104%(VSWR≤2)，且增益達(dá)到了52 dB，可以在1206~1346 G的L波段內(nèi)工作。

關(guān)鍵詞:微帶天線(xiàn); 雙層貼片; 寬頻帶; 圓極化

中圖分類(lèi)號(hào):TN82-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)21-0067-03

Design of Double-layer Patch Broadband Micro-strip Antenna

LI Xu-zhe， SU Hua， LI Xun， LIU Teng

(State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices， University of Electronic Science and Technology， Chengdu 610054， China)

Abstract: The narrow bandwidth property of a micro-strip antenna is one of the important reasons to restrict its wide application， so how to broaden the bandwidth of micro-strip antenna has been the concern of the related researchers. Some methods to broaden the bandwidth of micro-strip antennas have been proposed in the past few years， and have achieved good effects.The double-layer patch is adopted and inserted between the two air-layer structures to implement the purpose of increasing the bandwidth of micro-strip antennas. In addition， the orthogonal feed is used to achieve a circular polarization of antennas. Since there is the function resonance coupling between the patches， the bandwidth of the micro-strip antenna is extended to 11.04% under the condition of VSWR≤2 and the gain reaches 5.2 dB. It can work well within L band from 1206~1346 GHz.

Keywords: microstrip antenna; double-layer patch; wideband; circular polarization

0 引 言

微帶天線(xiàn)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(xiàn)，采用微帶線(xiàn)或者同軸探針對(duì)貼片進(jìn)行饋電，在貼片和接地板之間激勵(lì)起電磁場(chǎng)，通過(guò)貼片與縫隙向外輻射。由于微帶天線(xiàn)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(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于測(cè)量和通訊各個(gè)領(lǐng)域。但是，由于微帶天線(xiàn)是一種諧振式天線(xiàn)，高Q特性也就決定了其輸入阻抗對(duì)頻率變化很敏感，導(dǎo)致了貼片天線(xiàn)的頻帶較窄(一般頻帶的相對(duì)帶寬只有[1-2]2%～5%)。

對(duì)于工作在北斗頻段的微帶天線(xiàn)而言，由于帶寬較窄，所以對(duì)工作頻點(diǎn)的準(zhǔn)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(diǎn)發(fā)生漂移，導(dǎo)致天線(xiàn)無(wú)法正常工作，為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以擴(kuò)寬微帶天線(xiàn)在頻點(diǎn)周?chē)念l帶，這樣即使發(fā)生了頻點(diǎn)漂移，天線(xiàn)的工作頻點(diǎn)依然可以保持在天線(xiàn)的工作帶寬范圍內(nèi)。

針對(duì)擴(kuò)寬微帶天線(xiàn)的頻帶問(wèn)題，已經(jīng)有了很多設(shè)計(jì)方法:增加介質(zhì)基板的厚度，但這樣會(huì)引入表面波損耗;減小介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，但是會(huì)使基板的尺寸加大;增加寄生單元[3]，同樣會(huì)使基板的面積加大;增加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)[4-5];縫隙耦合饋電[6-7];采用多層結(jié)構(gòu)[8]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(gè)貼片之間的相互耦合作用，產(chǎn)生兩個(gè)相近的諧振頻率點(diǎn)，從而達(dá)到增加微帶天線(xiàn)頻帶寬度的目的。下面對(duì)該微帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)、理論和仿真結(jié)構(gòu)進(jìn)行論述，并在最后給出了結(jié)論。

1 微帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

1.1 雙層微帶天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)

微帶天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，與傳統(tǒng)微帶天線(xiàn)采用同軸探針對(duì)貼片進(jìn)行饋電不同，本文采用了正交微帶線(xiàn)對(duì)貼片進(jìn)行饋電，這樣既可以避免因?yàn)橥S探針的使用而引入電感，對(duì)天線(xiàn)的阻抗匹配帶來(lái)不便，也可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的圓極化功能。兩條正交微帶線(xiàn)的寬度相同，均為W1。此外，從圖中可以看到，在兩個(gè)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(dá)到增加頻帶寬度的目的。

1.2 雙層微帶天線(xiàn)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(zhǎng)為L(zhǎng)e1 ，上層貼片的諧振頻率為f02 ，邊長(zhǎng)為L(zhǎng)e2，有:

f01=c2Le1εc1

(1)

f02=c2Le2εc2

(2)

式中:c為自由空間中的光速。

εc1=ε1

(3)

εc2=he1/h1ε1+h2ε2

(4)

he1=h1+h2

(5)

式中:ε1和ε2分別代表底層介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)和上層介質(zhì)基板的相對(duì)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。

Lei=Li+2ΔLi

(6)

ΔLi=0.412heiεei+0.3εei-0.258Li/hei+0.264Li/hei+0.8(7)

εei=εci+12+εci-121+10heiLi-12

(8)

式中:Lei與ΔLi分別表示貼片的實(shí)際邊長(zhǎng)和貼片的伸長(zhǎng)量;εei為有效介電常數(shù)。

圖1 雙層微帶天線(xiàn)的俯視圖與側(cè)視圖

1.3 雙層微帶天線(xiàn)的尺寸參數(shù)

本文采用的基板是TACNIC公司的介質(zhì)基板，ε1=2.65，h=0.5 mm。其中，上貼片L2=95 mm，下貼片L1=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ε2=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(lái)達(dá)到降低有效介電常數(shù)的目的)。經(jīng)過(guò)多次仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)W1=6.4 mm時(shí)，微帶天線(xiàn)可以得到較好的阻抗匹配。

1.4 雙層微帶天線(xiàn)的仿真結(jié)果與分析

根據(jù)上述各個(gè)參量值，采用Ansoft公司的HFSS對(duì)本文所設(shè)計(jì)的微帶天線(xiàn)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如下:

圖2給出了S11≤-10dB時(shí)的微帶天線(xiàn)的頻帶展寬情況，圖3則給出了VSWR≤2時(shí)，微帶天線(xiàn)的頻帶展寬情況。

圖2 S11≤-10dB時(shí)，微帶天線(xiàn)的頻帶展寬情況

圖3 VSWR≤2時(shí)，微帶天線(xiàn)的頻帶展寬情況

從圖2，圖3中可以看出，微帶天線(xiàn)的工作頻帶在1.206～1.346 GHz之間，中心頻率為1.276GHz，與北斗頻點(diǎn)1.268 GHz相距很近，頻帶寬度達(dá)到了BW=140 MHz，相對(duì)寬度為11.04%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了普通微帶矩形貼片天線(xiàn)的工作帶寬的范圍(一般普通的微帶天線(xiàn)相對(duì)帶寬在2%~5%左右)。適當(dāng)?shù)恼{(diào)整空氣層的厚度還可以控制諧振點(diǎn)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(gè)諧振頻點(diǎn)，這是由上，下2個(gè)貼片各自諧振而引起的，可見(jiàn)雙層貼片可以產(chǎn)生兩個(gè)諧振點(diǎn)，進(jìn)而可以有效地達(dá)到展寬微帶天線(xiàn)頻帶的目的。

由圖4可以看到，雙層微帶天線(xiàn)的增益達(dá)到了5.2dB，較之傳統(tǒng)的微帶天線(xiàn)增益有少許增加，由此可見(jiàn)，雙貼片的微帶天線(xiàn)在提高增益方面也有一定的貢獻(xiàn)。若要大幅度提高微帶天線(xiàn)的增益，則可以在頂層貼片上再覆蓋一層εr1的介質(zhì)基板即可[9]。

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

圖4 微帶天線(xiàn)的增益

圖5 微帶天線(xiàn)的軸比仿真圖

2 結(jié) 論

針對(duì)微帶貼片天線(xiàn)頻帶較窄的特點(diǎn)，本文提出了一種利用正交微帶線(xiàn)進(jìn)行饋電的雙貼片微帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)。在VSWR≤2時(shí)，頻帶范圍在1206～1346 GHz之間，帶寬達(dá)到了140 MHz，相對(duì)帶寬達(dá)到了1104%。在工作頻段內(nèi)，天線(xiàn)的增益有稍許提高，軸比可以接受，所以此天線(xiàn)結(jié)構(gòu)是一種比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的微帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)。

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