一種Ku波段寬帶微帶天線的設計

王 鵬， 李民權， 付 燦， 金秀梅

（1.安慶師范學院 物理與電氣工程學院，安徽 安慶 246011；2.安徽大學 計算智能與信號處理教育部重點實驗室，安徽 合肥 230039）

微帶天線的概念最早是由德尚教授（G.A.Deschamps）提出的，由于其體積小、質量輕、剖面低、且易于加工和電路集成等諸多優點，在雷達和通信領域得到了廣泛的應用。但是其固有的頻帶窄，功率容量低，限制了在諸多方面的應用［1］。近年來許多國內外學者針對如何擴展微帶天線的帶寬問題做了大量研究，也提出了許多行之有效的方法。具體可以歸納為以下幾個方面［2］：① 對于微帶天線的介質基板可采取增加基板厚度，使用低介電常數或損耗較大的材料，或將介質基片變形成梯形或楔形，還可以采用非線形材料如鐵氧體介質；② 對于輻射貼片和接地板，可在其上開縫以降低天線Q值，或采用多層貼片諧振；③ 對于饋電方式，可選用耦合饋電方式，增加阻抗匹配網絡等［3］。在一般情況下，可以根據天線的實際應用場合，靈活采用多種擴展天線帶寬的方法，以達到滿意的效果。

本設計采用口徑耦合饋電方式以擴展天線帶寬，該方法最早是由文獻［4］提出的。與傳統的饋電方式如同軸底饋和微帶側饋相比，縫隙耦合饋電方式具有許多優點：實現了微帶天線低剖面、緊湊的天線結構，有利于電路的集成；由于饋電部分和輻射貼片不在一個平面上，可以有效抑制饋電結構對天線方向圖的寄生輻射影響，合理設置耦合縫隙的結構能夠提高天線的阻抗帶寬。文獻［5］利用實驗的方法對不同形狀的耦合縫隙進行了研究，實驗結果表明開H型耦合槽可以獲得較大的耦合量，提高天線的阻抗帶寬，改善天線的交叉極化性能；文獻［6］報道了一種使用H型槽耦合饋電的微帶天線獲得了寬頻帶和高增益的良好效果；文獻［7］利用修改H型槽結構從而獲得了良好的極化特性和寬頻帶特性。

在以上研究的基礎上，本文改進了前述單H形槽耦合饋電的天線結構，在H型槽耦合饋電的基礎上，于輻射貼片邊緣處開縫。由于貼片邊緣縫隙的存在而引入了新的諧振頻率點，從而更大程度地展寬了天線的帶寬。窄縫結構簡單，容易實現。此外，在接地板背面引入微帶反射板，可以減小由耦合槽引起的背向輻射，以提高天線的增益和改善天線方向圖的前后比。仿真結果表明這種新結構的微帶天線在中心頻率14.5GHz能夠達到39.8%的阻抗帶寬（S11＜－10dB）。這表明該結構能夠有效地展寬微帶天線的帶寬。

1 天線結構設計

圖1所示為這種寬帶微帶天線結構，其由4層介質和金屬貼片構成，如圖1a所示，第2層介質是相對介電常數為1.06的泡沫塑料，起支撐作用，另外3層介質均是相對介電常數為2.2的Rogers RT／duroid 5880（tm）材料，即εr0＝εr2＝εr3＝2.2，εr1＝1.06。天線最上方的介質是天線罩，對天線的輻射貼片起保護作用，它對天線的輻射效率、方向圖以及增益都略有影響。

圖1a中的第2層和第3層是天線的主體部分。泡沫塑料對附著在其上方的輻射貼片起支撐作用，由于泡沫的相對介電常數較低，有利于展寬天線帶寬，其厚度H1對天線的帶寬也有影響，當H1增大時，天線帶寬增加，但是天線的體積也會增加，因此需綜合考慮。

輻射貼片如圖1b所示，其長度L1決定著貼片自身的諧振頻率，一般略小于λg／2（λg為諧振頻率點對應的介質波長），但是由于耦合縫隙饋電的使用，使其與理論值存在一定的偏差。貼片的寬度W1取值較大時可以增加天線的帶寬，但當W1大于一定值時會產生高次模，引起場的畸變，天線的方向圖性能會惡化。有研究表明當貼片的寬度是長度的2倍時，天線的阻抗帶寬可以增加1.6倍左右。本文在設計時選用了較寬尺寸的貼片以增加帶寬。在貼片的2個寬邊處分別開了矩形窄縫，縫隙靠近貼片的邊緣處且很窄，不會對貼片的自身諧振頻率產生影響。

圖1 微帶天線結構示意圖

貼片表面開縫可以降低天線的Q值，有利于電磁波的輻射以增加帶寬，而且窄縫自身也相當于一個縫隙輻射器，能夠產生一個新的諧振頻率點。該諧振頻率點由縫隙的長度決定，當與貼片的諧振頻率點靠得很近時，就可以起到展寬頻帶的作用。圖1c所示是一個開有H型縫隙的接地板，H型縫隙是饋電使用的耦合口徑，其結構尺寸對天線的諧振阻抗和諧振頻率都有影響。文獻［8－9］的研究表明，la、wb長度增長，諧振頻率降低，諧振阻抗增加，這表明增長縫隙長度，饋線與貼片之間的能量耦合能力增強。H型槽縫隙的寬度lb、wa對天線的諧振頻率和諧振電阻也有影響，只不過影響程度小于縫隙的長度。在設計過程中，通常為了減少后向輻射，H型耦合縫隙的寬度不宜取得過大。H型縫隙的結構尺寸參數較多，設計自由度較大，需進行大量的仿真優化以獲得良好性能。

饋電部分使用50Ω的微帶饋線，如圖1c所示，可以通過調節開路枝節ls的長度來獲得天線的阻抗匹配。饋線和接地板之間是一層介質基片，增大介質的介電常數可以提高電磁能量耦合效率。在天線的最下方放置了一個金屬反射板，厚度H3通常為λg／4，這樣做的好處是可以減小H型縫隙耦合饋電帶來的后向輻射，改善天線方向圖的前后比，提高天線的增益。

2 仿真及分析

在天線的設計過程中，使用高頻仿真軟件HFSS進行輔助設計。由以上分析可知，該天線結構參數較多，首先需要了解天線的每個參數對天線性能的可能影響，在有了定性的認識之后，在HFSS軟件中進行仿真優化，經優化后天線的最終結構尺寸見表1所列。

表1 天線結構尺寸 mm

所設計天線的回波損耗仿真結果如圖2所示，由圖可知，該天線在11.66～17.45GHz頻帶范圍內，回波損耗S11＜－10dB，相對阻抗帶寬達到了39.8%，為普通微帶天線帶寬的8倍，優于僅使用H型縫隙耦合饋電的微帶天線。這表明在輻射貼片表面開矩形縫隙并使用H型縫隙耦合饋電的結構可以有效展寬微帶天線的帶寬。

所設計天線在15GHz的方向圖如圖3所示，給出了天線的E面和H面方向圖以及各自的交叉極化方向圖。由圖3可知，該天線的交叉極化性能良好，E面和H面的交叉極化分別優于－38dB和－28dB；天線E面和H面的方向圖前后比大于19dB和26dB；天線增益大于8dB。可見在天線的底面附加一個金屬反射板，可以有效抑制天線的后向輻射，改善天線的輻射效率，提高天線的增益。這些結果顯示了該結構微帶天線具有良好的輻射特性和電路特性，具有一定的實際應用價值。

圖2 S11曲線

圖3 天線E面、H面交叉極化方向圖

3 結束語

本文提出了一種新型結構的寬頻帶微帶天線，在輻射貼片邊緣上開矩形縫隙，使用H型縫隙耦合饋電，在天線底面加金屬反射板。利用高頻仿真軟件HFSS進行輔助設計，仿真結果顯示該天線的阻抗相對帶寬達39.8%，交叉極化電平小于－28dB，天線方向圖前后比優于19dB，增益大于8dB。結果表明該結構天線具有良好的寬頻諧振特性和輻射特性。

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