寬頻帶縫隙饋電雙層貼片微帶天線設(shè)計(jì)*

周 兵，鄒傳云

(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010)

0 引言

近年來，隨著無線電技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)天線的要求越來越高，既需要天線高增益、寬頻帶，還要求具備剖面低、重量輕、易制作等特點(diǎn)[1]。當(dāng)前無芯片射頻標(biāo)簽正逐漸興起。頻率編碼容量大的無芯片標(biāo)簽工作的頻率范圍很寬，對(duì)標(biāo)簽閱讀器的天線提出了更寬頻帶的要求。微帶天線因?yàn)槠涔逃械恼瓗挼奶攸c(diǎn)，導(dǎo)致其應(yīng)用大大地受到限制[2]。為了拓展微帶天線的帶寬，1984年，Pozar首次提出了縫隙耦合饋電微帶天線，該天線隔離了饋電網(wǎng)絡(luò)與輻射貼片，降低了饋電網(wǎng)絡(luò)雜散波對(duì)輻射貼片的影響，克服了傳統(tǒng)饋電方式帶來的電感效應(yīng)[3]。用縫隙耦合饋電的方式來拓展帶寬，工程師們做了大量的卓有成效的工作。

目前基于縫隙耦合饋電，能夠有效擴(kuò)展天線帶寬的方式可以總結(jié)為以下三點(diǎn)：改變縫隙的形狀[4-6]，如“E”形、“L”形、“H”形、“Hour Glass”形、“十”形等；采用層疊輻射貼片結(jié)構(gòu)[7-9]；使用低介電常數(shù)和較厚的介質(zhì)板[10-11]，如泡沫介質(zhì)。

本文結(jié)合層疊輻射貼片和低介電常數(shù)厚介質(zhì)基板兩種有效擴(kuò)展微帶線帶寬的方式，設(shè)計(jì)了一款頻帶寬度接近中心頻率約60%的超寬帶微帶天線，該天線可以作為無芯片射頻標(biāo)簽閱讀器的收發(fā)天線。

1 理論分析

微帶線通過縫隙耦合輻射貼片的機(jī)理是基于貼片天線的腔模型和小孔原理，分析模型如圖1所示。通過理論分析可以推導(dǎo)出縫隙耦合的工作原理，也可以計(jì)算出不同耦合縫隙所產(chǎn)生的特定電磁耦合。

圖1 圓形縫隙耦合矩形貼片微帶天線

貼片在主模TM100產(chǎn)生諧振時(shí)，貼片和貼片邊緣的磁壁在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可以由方程(1)、(2)來近似表示：

(1)

(2)

Pz=ε0εr1χeEz(x0)

(3)

My=-χmHy(x0)

(4)

其中χe和χm分別是縫隙的電極化率和磁極化率，對(duì)于一個(gè)半徑為r0的小圓形縫隙，其電極化率和磁極化率可以分別由方程(5)、(6)來表示：

(5)

(6)

由方程(1)、(2)可知，腔體中的場(chǎng)不隨Y軸發(fā)生變化，所以耦合縫隙可以放置在X軸的任何地方，而不會(huì)影響對(duì)主模TM100的耦合。由方程(1)～(4)可以得出，極化電流Pz在x=0或a(貼片的邊界處)最大，在x=a/2(貼片的中心處)最??；極化磁流My則正好相反，在x=0或a最小，在x=a/2最大。因此，隨著耦合縫隙沿X軸平移，相應(yīng)的耦合機(jī)制也會(huì)發(fā)生變化，即開始是純電偶極子，在中間是電偶極子和磁偶極子的混合，最后是純磁偶極子。

以上分析的是縫隙的放置點(diǎn)與極化電流、極化磁流的關(guān)系，下面分析腔體場(chǎng)與饋線之間的相互耦合。

假設(shè)寬度為W的饋線是無限長(zhǎng)的，則在饋線下方產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的一階近似為：

Ez=e-jkex

(7)

(8)

其中ke是微帶線的有效傳輸常數(shù)，d是饋線介質(zhì)的厚度，Zc是饋線的特征阻抗，腔體場(chǎng)和饋線之間的耦合系數(shù)可以由方程(9)、(10)來計(jì)算[12]：

(9)

(10)

其中CP和CM分別表示電偶極子和磁偶極子的耦合系數(shù)，Z0=377 Ω，P10代表在饋線上傳輸?shù)目偣β实臍w一化常數(shù)。方程(9)、(10)在相位上是正交的，這有助于矩形貼片微帶天線得到圓極化波。對(duì)于εr1=2.55，Zc=50 Ω(d/W=0.34),根據(jù)方程(9)、(10)可以得出，磁偶極子比電偶極子的耦合要強(qiáng)3倍左右，故選擇磁偶極子為優(yōu)先考慮的耦合機(jī)制。對(duì)于相同面積的橢圓耦合縫隙，計(jì)算的結(jié)果顯示其最大耦合系數(shù)要比圓形耦合縫隙大10倍左右，而對(duì)于細(xì)長(zhǎng)的矩形縫隙，耦合系數(shù)更大。

2 天線設(shè)計(jì)及分析

2.1 天線的設(shè)計(jì)

縫隙饋電雙層貼片微帶天線由4層介質(zhì)、兩層輻射貼片、接地板、天線罩、反射面和饋電部分組成，天線結(jié)構(gòu)如圖2所示(反射面沒有畫出)。

圖2 天線結(jié)構(gòu)

介質(zhì)的選取在天線設(shè)計(jì)過程中比較關(guān)鍵，介質(zhì)不僅對(duì)天線的物理特性(如：尺寸、重量、機(jī)械強(qiáng)度等)有影響，還影響天線的帶寬、輻射效率等性能。為了抑制表面波，減小后向輻射，微帶線介質(zhì)層選擇高介電常數(shù)、低厚度的介質(zhì)，而輻射層選用低介電常數(shù)、高厚度的介質(zhì)可以得到更寬的帶寬；耦合縫隙的設(shè)計(jì)也是微帶天線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，縫隙的形狀和大小既影響?zhàn)侂妼雍洼椛鋵又g的耦合強(qiáng)度，也直接影響天線的帶寬，本設(shè)計(jì)中的縫隙有兩種功能，既充當(dāng)饋電層與輻射層之間的耦合通道，又是一個(gè)處于諧振狀態(tài)的諧振器，諧振狀態(tài)的縫隙可以帶來更寬的帶寬[13]；諧振縫隙的引入導(dǎo)致天線的后向輻射增加，為了減小天線的后向輻射，增大前后比，本設(shè)計(jì)中加入了反射面；為了使天線頂層的輻射貼片免受環(huán)境的影響，引入了天線罩，天線罩的底層印有天線的第二個(gè)輻射貼片，避免了在泡沫介質(zhì)上敷銅。同時(shí)天線罩的引入影響了天線的電壓駐波比和諧振頻率，考慮到對(duì)天線的體積、重量、增益等方面的要求，天線罩選用相對(duì)介電常數(shù)為2.53、厚度為0.508 mm的介質(zhì)板。

耦合縫隙在設(shè)計(jì)頻率上處于諧振狀態(tài)，傳統(tǒng)的通過調(diào)整縫隙尺寸來進(jìn)行阻抗匹配將不再有效，只有通過饋電系統(tǒng)來進(jìn)行阻抗匹配，因此對(duì)饋電系統(tǒng)的要求更高。為了實(shí)現(xiàn)50 Ω阻抗匹配，本文采用了雙偏置饋電結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 雙偏置饋電結(jié)構(gòu)

圖4 縫隙長(zhǎng)度Sl與S11的關(guān)系

兩個(gè)特征阻抗Z1=100 Ω的分支結(jié)構(gòu)的末端在特征阻抗Z0=50 Ω的微帶線匯合組成功率合成器，這種結(jié)構(gòu)可以避免因單個(gè)偏置饋電結(jié)構(gòu)所引起的交叉極化影響，并且很容易用互易法來分析[14]。由前面的理論分析可知，把矩形諧振縫隙放置在輻射貼片的正下方可以得到最大的磁流，且磁偶極子的最大耦合系數(shù)比電偶極子的最大耦合系數(shù)大。

2.2 天線的分析

圖5 縫隙寬度Sw與S11的關(guān)系

在最大耦合情況下(縫隙在貼片的正下方)，縫隙的尺寸，即縫隙的長(zhǎng)度、寬度與回波損耗S11之間的關(guān)系如圖4、圖5所示?？梢钥闯觯p隙長(zhǎng)度變長(zhǎng)時(shí)，第一個(gè)諧振點(diǎn)向低頻偏移，第二個(gè)諧振點(diǎn)向左輕微偏移，第三個(gè)諧振點(diǎn)基本沒有變化，整體來說S11隨著Sl增大而變大，說明了縫隙的耦合越來越低；縫隙的寬度變大時(shí)，第一個(gè)諧振點(diǎn)向低頻偏移，第二、三諧振點(diǎn)基本沒有變化。前面說過，本設(shè)計(jì)中用到的縫隙是處于臨近諧振狀態(tài)，可以看出其諧振頻率對(duì)應(yīng)的是圖中第一個(gè)諧振點(diǎn)。第二個(gè)諧振點(diǎn)也有偏移，是因?yàn)楦淖兛p隙的尺寸，就改變了縫隙與#1貼片的相互耦合關(guān)系。而#1與#2貼片的尺寸沒有變化，所以第三個(gè)諧振點(diǎn)沒有發(fā)生偏移。

縫隙與#2貼片的尺寸不變時(shí)，僅改變#1貼片的尺寸L1時(shí)，L1與回波損耗S11的關(guān)系如圖6所示。由前面的分析可知，縫隙的諧振頻率是第一個(gè)諧振點(diǎn)，這種情況下應(yīng)該不變，第二個(gè)諧振點(diǎn)對(duì)應(yīng)縫隙與#1貼片的相互耦合，此時(shí)應(yīng)該發(fā)生變化，同時(shí)第三個(gè)諧振點(diǎn)也應(yīng)該發(fā)生變化。由圖6可看出，第一個(gè)諧振點(diǎn)基本沒有偏移，第二、三個(gè)諧振點(diǎn)都有相應(yīng)的偏移，吻合上面的分析。

圖6 L1與S11的關(guān)系

饋電網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)分支結(jié)構(gòu)的距離doff與回波損耗S11的關(guān)系如圖7所示。可以看出doff對(duì)諧振點(diǎn)的影響比較小，主要是影響?zhàn)侂娋W(wǎng)絡(luò)與輻射貼片的耦合，doff越小，耦合越強(qiáng)；doff變大，耦合降低。

圖7 doff與S11的關(guān)系

綜合上面的分析，最終得出天線優(yōu)化后的尺寸如表1所示。

表1 天線的尺寸

3 仿真結(jié)果

用三維無源高頻電磁場(chǎng)仿真軟件，對(duì)天線進(jìn)行仿真，得到天線的回波損耗、電壓駐波比、增益、方向圖、Z-Smith圓圖等參數(shù)，如圖8～圖12所示。

圖8 回波損耗

圖9 電壓駐波比

圖10 增益

圖11 方向圖

圖12 Z-Smith圓圖

由圖8～12可以看出，在5.127～8.978 GHz的頻率范圍內(nèi)，回波損耗S11小于-10 dB，最小值接近-45 dB，相對(duì)阻抗帶寬約為60%(中心頻率為6.6 GHz)，電壓駐波比小于2，增益整體要大于5 dB，最大值為9.07 dB,中心頻率的輸入阻抗如圖12中的標(biāo)記所示，為89-0.543i，比較接近于100 Ω，阻抗匹配良好。 由圖11可以看出，天線的后向輻射水平比較低，其前向輻射要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后向輻射，即輻射前后比比較大。天線的上述參數(shù)基本上能夠達(dá)到要求。

4 結(jié)論

本文采用雙偏置饋電網(wǎng)絡(luò)通過矩形諧振縫隙耦合饋電、多層低介電常數(shù)的泡沫材料和層疊結(jié)構(gòu)的輻射貼片，設(shè)計(jì)了一款寬頻帶的微帶天線，該天線克服了微帶天線頻帶窄的缺點(diǎn)且具有良好的波束前后比、寬頻帶、尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，非常適合用作無芯片射頻標(biāo)簽的閱讀器天線。因?yàn)樵摽钐炀€尺寸小，可以使得天線完全集成在閱讀器內(nèi)部，更進(jìn)一步減小標(biāo)簽閱讀器的體積。反射面的加入使得該天線的后向輻射小，因此天線的方向性強(qiáng)，有一定的抗干擾能力，用作閱讀器天線后，可以增加閱讀器穩(wěn)定性，提高數(shù)據(jù)讀取的可靠性。除此之外，因?yàn)槠渲谱骱?jiǎn)單，該天線也很適合用于陣列天線的基礎(chǔ)單元。

[1] 尹繼亮.Ku 波段寬角掃描微帶陣列天線設(shè)計(jì)[J].電子元件與材料，2017，36(5)：81-84.

[2] KIROV G S,ABDEL-RAHMAN A, OMAR A S. Wide band aperture coupled microstrip antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2003, 43(1): 888-891.

[3] 孫丹，章傳芳.一種寬帶縫隙耦合微帶天線[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2008，31(4)：77-79.

[4] 關(guān)敏.寬帶圓極化微帶縫隙天線的設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2014.

[5] 楊穎怡，趙旭.L波段寬帶縫隙耦合天線設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào)，2012，28(s2)：84-86.

[6] 何越，余志勇，路宏敏，等.基于十字形縫隙耦合的寬帶圓極化微帶天線設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36(19)：77-79.

[7] Yang Xianhua, SHAFAI L. Characteristics of aperture coupled microstrip antennas with various radiating patches and coupled apertures [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propa-gation, 1995, 43(1): 72-78.

[8] FREDERIC C. Millimeter-wave design of wide-band aperture-coupled stacked microstrip antennas[J]. IEEE Transaction on Antennas and Propagation, 1991, 39(12): 1770-1776.

[9] GEORGI S K, CHAVDAR D K. Aperture coupled microstrip short backfire antenna[J]. Electrical Engineering, 2012, 63(2): 75-80.

[10] PEIXEIRO C. High efficiency aperture-coupled stacked-patch antennas with foam substrate[C]// Antennas and Propagation Society International Symposium, 2013: 1828-1829.

[12] COLLIN R E. Foundations for microwave engineering[M]. VEB Verlag Technik, 1973.

[13] WANG J, FRALICN R, WU C, et al. Multifuctional aperture coupled stack antenna[J]. Electron LETT, 1990, 26(25): 65-69.

[14] POZAR D M. A reciprocity method of analysis for printed slots and slot coupled microstrip antenna[J]. IEEE Transactions on Antenna Propagation, 1986, 50(34): 1439-1446.