應(yīng)用于火災(zāi)探測(cè)的超寬帶共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)天線的設(shè)計(jì)*

晁躍川，胡少文，周輝林，吳毅強(qiáng)*

(1.新疆博州公安消防支隊(duì)，新疆博樂(lè)833400;2.南昌大學(xué)電子信息工程系，南昌330031)

目前，紅外火焰探測(cè)器主要是靠室內(nèi)紅外線的輻射強(qiáng)度的變化來(lái)探測(cè)是否發(fā)生火災(zāi)，這種探測(cè)器的缺點(diǎn)就是工作靈敏度與可靠性很容易受到火場(chǎng)和水蒸氣的影響。而光束感煙火探測(cè)器是利用煙霧對(duì)紅外線輻射的強(qiáng)度衰減效應(yīng)來(lái)被動(dòng)地進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)。能否找到一種不易受惡劣環(huán)境條件干擾的主動(dòng)式火災(zāi)探測(cè)方式，已經(jīng)成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。而微波輻射具有良好的穿透性，且不易受惡劣環(huán)境的影響。因此將微波技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代火災(zāi)探測(cè)將會(huì)是非常好的選擇。然而微波技術(shù)應(yīng)用于火災(zāi)探測(cè)的關(guān)鍵是要選擇一副很好的探測(cè)天線。筆者主要是研究應(yīng)用于火災(zāi)探測(cè)的超寬帶天線。

隨著無(wú)線通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，小型化超寬帶天線吸引了國(guó)內(nèi)外許多研究者的廣泛關(guān)注。微帶共面波導(dǎo)饋電天線是由微帶天線演變而來(lái)，由于具有尺寸小、頻帶寬、質(zhì)量輕且易于加工與集成，其優(yōu)越性在科研與實(shí)踐中備受青睞，為了實(shí)現(xiàn)天線寬頻帶性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種多樣的天線結(jié)構(gòu):U槽貼片天線，陣列結(jié)構(gòu)，單極子天線等被廣泛應(yīng)用于UWB通信，但是目前這些天線都有不足之處。文獻(xiàn)［1］設(shè)計(jì)的天線采用的是共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將圓弧形與等腰梯形相結(jié)合的方式對(duì)接地板進(jìn)行開(kāi)槽實(shí)現(xiàn)帶寬(VSWR ＜2)為3.1 GHz～10.6 GHz，文獻(xiàn)［2］設(shè)計(jì)的天線采用的是對(duì)稱雙梯形開(kāi)縫微帶結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，其尺寸較小，但是工作頻率為5.6 GHz～11.3 GHz，文獻(xiàn)［3］設(shè)計(jì)的天線通過(guò)在微帶貼片上開(kāi)圓環(huán)改變電流分布實(shí)現(xiàn)超寬帶，但其相對(duì)帶寬只有72.4%;綜合以上考慮，筆者在共面波導(dǎo)接地面上刻蝕了一種新穎的對(duì)稱結(jié)構(gòu)的多邊形槽，設(shè)計(jì)一種能滿足超寬帶無(wú)線通信的小型化超寬帶天線，便于和微波射頻電路集成，利用高頻電磁仿真軟件HFSS對(duì)所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行建模仿真優(yōu)化，并利用實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備制作了天線實(shí)物，通過(guò)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試其所設(shè)計(jì)的天線，表明采用對(duì)稱多邊形槽可以很好地增加天線的阻抗帶寬。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的天線的基本幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，該天線印刷在覆銅介質(zhì)基板上，介質(zhì)基板尺寸為18 mm×28.5 mm，厚度為d=1.6 mm，材料為介電常數(shù)εr=4.4的FR4，微帶貼片、饋電與接地面被印刷在同一個(gè)平面上，容易集成化加工。輻射單元為一個(gè)大矩形貼片加一個(gè)小矩形貼片。采用的是共面波導(dǎo)饋電方式，接地面位于微帶傳輸線的兩側(cè)，形成對(duì)稱的階梯型，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮微帶饋線輸入阻抗匹配問(wèn)題，采用共面波導(dǎo)微帶饋電時(shí)，首先要計(jì)算微帶的寬度、長(zhǎng)度及與接地面之間的縫隙寬度，可以直接通過(guò)理論公式推導(dǎo)［8-11］，也可以利用現(xiàn)有的計(jì)算軟件，只需要將基板的介電常數(shù)εr、損耗角tanσ、電導(dǎo)率δ、厚度d及需要仿真的頻率f，如確定需要的微帶長(zhǎng)度，就可以通過(guò)工具軟件計(jì)算出微帶饋電的寬度Wf及與接地面之間的縫隙寬度W3，影響天線輻射性能的因素［12-14］有好多，主要是由輻射貼片的尺寸和幾何形狀、縫隙的尺寸決定，通過(guò)在HFSS軟件中建立模型，對(duì)天線幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化來(lái)得到最佳尺寸。表1為經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的最佳設(shè)計(jì)尺寸。

圖1 共面波導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)

表1 天線尺寸

2 天線的優(yōu)化與仿真

為了保證設(shè)計(jì)的有效性和實(shí)用性，需要考慮介質(zhì)基板的厚度和有限地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，天線的饋電結(jié)構(gòu)主要由式(1)～式(4)計(jì)算得出。

式(1)～式(4)主要是用在有限地的共面波導(dǎo)饋電阻抗的計(jì)算，式中h、εr、εeff、W、Wf、W3分別為介質(zhì)基板的厚度、基板相對(duì)介電常數(shù)、基板有效介電常數(shù)、基板的寬度、共面波導(dǎo)饋電線的寬度、共面波導(dǎo)饋電線與地面之間的間隙。K(m)、K(n)、K'(m)、K'(n)為第一類完全橢圓積分函數(shù)和其補(bǔ)函數(shù)。利用以上公式可以計(jì)算出共面波導(dǎo)的信號(hào)帶線的寬度Wf和縫隙寬度W3。

天線的性能主要由多邊形槽和輻射貼片決定，通過(guò)仿真優(yōu)化得到槽、貼片的最佳尺寸在HFSS中建立模型，最后制作實(shí)物天線和測(cè)試，從測(cè)試結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的天線能很好地滿足超寬帶應(yīng)用的需求，同時(shí)證明了利用共面波導(dǎo)技術(shù)和地缺結(jié)構(gòu)能夠有效地展寬天線的阻抗帶寬。

通過(guò)對(duì)輻射單元的長(zhǎng)度L3的優(yōu)化，輻射單元尺寸對(duì)天線阻抗帶寬的特性影響如圖2所示，當(dāng)輻射單元較小時(shí)，其天線輻射的能量相對(duì)較小，因此天線的阻抗帶寬相對(duì)較小，隨著天線輻射單元的增大，天線的阻抗帶寬增加。但是當(dāng)天線的輻射單元增加到一定的時(shí)候，天線的阻抗帶寬反而減小，主要是由于天線的輻射單元和共面波導(dǎo)接地面之間的耦合電容發(fā)生變化，引起其電流的分布發(fā)生了變化，從而引起天線阻抗帶寬變窄。

從圖3可以看出，隨著對(duì)稱多邊形槽的長(zhǎng)度的增大，天線的阻抗帶寬特性變好，是因?yàn)槎噙呅尾鄣脑龃笫沟锰炀€的輻射單元與共面波導(dǎo)接地面直接的電容耦合降低，減小兩者之間因激勵(lì)引起的諧振，從而使天線的阻抗帶寬特性變好。

圖2 貼片對(duì)S11的影響

圖3 槽對(duì)S11的影響

所設(shè)計(jì)的天線在實(shí)現(xiàn)阻抗超寬帶性能的同時(shí)，也具有比較好的輻射方向圖和增益。圖4(a)、(b)所示為所設(shè)計(jì)的天線在4.0，8.0和12.0 GHz下的仿真輻射方向圖，仿真增益如圖4(c)所示，在3.4 GHz～17.4 GHz的頻帶內(nèi)，最高增益可以達(dá)到17 dB，比一般的微帶天線的增益效果要好很多，這種天線可用做收發(fā)天線。

圖4 天線的輻射方向圖和增益圖

表2為所設(shè)計(jì)的天線與參考文獻(xiàn)［4-7］中各天線相對(duì)應(yīng)的參數(shù)，通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的天線在阻抗帶寬、增益和天線尺寸上都有明顯的優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明通過(guò)采用共面波導(dǎo)饋電和刻蝕對(duì)稱多邊形槽結(jié)構(gòu)能夠很好地增加天線的阻抗帶寬。

表2 天線參數(shù)比較

3 實(shí)測(cè)結(jié)果

圖5所示為該設(shè)計(jì)天線的加工實(shí)物圖，圖6為天線回波損耗S11的實(shí)際測(cè)量值，實(shí)測(cè)的頻帶寬度為3.4 GHz～17.4 GHz，回波損耗曲線在頻帶范圍內(nèi)基本處于-10 dB以下，與仿真圖能夠很好地吻合，天線的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真值稍有些偏差，主要是由實(shí)驗(yàn)室加工制作工藝的誤差所引起，此外射頻SMA接頭以及焊錫的散射效應(yīng)也會(huì)對(duì)回波損耗產(chǎn)生影響。該天線具有較好的效能指標(biāo)，能夠滿足無(wú)線通信的要求。

圖5 天線實(shí)物圖

圖6 S11的實(shí)測(cè)值

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的應(yīng)用在火災(zāi)探測(cè)的共面波導(dǎo)饋電超寬帶天線，利用共面波導(dǎo)技術(shù)和缺陷地結(jié)構(gòu)有利于改善傳統(tǒng)微帶天線的頻帶窄、體積大等缺點(diǎn)，通過(guò)對(duì)天線參數(shù)的優(yōu)化，所設(shè)計(jì)的對(duì)稱結(jié)構(gòu)共面波導(dǎo)饋電天線可以工作在3.4 GHz～17.4 GHz的頻帶范圍內(nèi)。該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工制作，且具有穩(wěn)定的輻射特性和增益，滿足目前超寬帶通信需求。

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