C波段矩形微帶天線設(shè)計(jì)

盧 慧

（商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 商丘 476100）

0 引 言

微帶天線最初于20世紀(jì)50年代被提出，當(dāng)時(shí)受介質(zhì)材料和機(jī)械加工精度等限制，未能得到快速發(fā)展。隨著介質(zhì)材料和光刻敷銅等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，70年代微帶線天線技術(shù)得到快速發(fā)展。微帶線天線相對(duì)于其他形式的天線具有制作成本低和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)微帶天線可以直接加工在印制電路板上，方便和其他電路連接，同時(shí)也適合設(shè)計(jì)陣列天線[1]。現(xiàn)如今，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)電路設(shè)計(jì)小型化及低功耗等特點(diǎn)的追求，微帶線天線在移動(dòng)通信設(shè)備中發(fā)揮著越來越重要的作用[2]。同時(shí)，在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，微帶線天線也有著廣泛的應(yīng)用，特別是在低剖面和全向性等方面有著顯著優(yōu)勢。

微帶天線小型化技術(shù)主要通過兩種方法來縮小天線的尺寸。一種是通過不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來降低尺寸，主要通過在輻射單元上開槽，采用特殊形狀的輻射單元和不同的加載技術(shù)等[3-5]。另一種是通過改變介質(zhì)材料來縮小天線尺寸。使用高介電系數(shù)的介質(zhì)材料可以減少傳輸線和輻射單元的尺寸，也可以通過新型材料等來縮小天線尺寸[6]。

常用的微帶天線主要有振子天線、縫隙天線、行波天線以及貼片天線4種。這4種天線類型中，除了行波天線外，其他3種天線屬于諧振類天線，通常只能工作在諧振頻率附件。行波天線屬于非諧振型天線，需要通過負(fù)載匹配來保證行波的傳輸。微帶貼片天線主要在基板上實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)，基板一面通過敷銅板構(gòu)成接地板，另一面通過刻蝕和不同形狀實(shí)現(xiàn)天線對(duì)外輻射能量。天線可以設(shè)計(jì)成不一樣的形狀，本文重點(diǎn)研究矩形貼片天線。

常見的微帶貼片天線結(jié)構(gòu)主要由介質(zhì)、參考地以及輻射單元組成。參考地與輻射單元位于介質(zhì)的兩面。貼片天線的參數(shù)主要包括輻射單元的長度和寬度、介質(zhì)層的介電系數(shù)、損耗正切角以及介質(zhì)層的厚度等，上述的參數(shù)都會(huì)影響天線的輻射性能。

1 理論和設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一款諧振頻率在5.2 GHz的矩形天線，使用Roger 5880介質(zhì)板。根據(jù)天線的工作頻率和介質(zhì)的介電系數(shù)，矩形天線的長寬分別為23.7 mm和18.4 mm[7]。為了降低輻射單元邊緣的輻射泄漏，接地板的尺寸設(shè)計(jì)為40 mm×40 mm?；疚Ь匦翁炀€的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 矩形微帶天線

矩形微帶天線激勵(lì)端口的S參數(shù)如圖2所示，可以看出S參數(shù)的最小值位于5.3 GHz的位置，取值為-3.75 dB。雖然天線頻率和設(shè)計(jì)要求基本一致，但-3.75 dB的S參數(shù)難以滿足工程需要。為了提高天線的輻射效率，降低5.2 GHz附近S參數(shù)的值，本文在天線饋電端加入縫隙，通過優(yōu)化縫隙參數(shù)提高天線輻射效率[8,9]。

圖2 矩形微帶天線激勵(lì)端口的S參數(shù)

在圖1的結(jié)構(gòu)上，饋線和天線相連的位置開一個(gè)縫隙。縫隙寬度為1 mm，長度為2～6 mm。新的結(jié)構(gòu)如圖3所示。后續(xù)在仿真計(jì)算過程中，將縫隙長度設(shè)置為變量，根據(jù)不同縫隙長度分別計(jì)算天線激勵(lì)端口的S參數(shù)[10]。

圖3 加縫隙矩形微帶天線

2 仿真及結(jié)果

根據(jù)圖3的尺寸和結(jié)構(gòu)，通過HFSS軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。以縫隙長度為自變量，得到的激勵(lì)段S參數(shù)如圖4所示。由圖4可以看出隨著縫隙的長度變長，在5.3 GHz附近處激勵(lì)端口的反射能量變小。當(dāng)縫隙長度為6 mm時(shí)，反射能量＜-17.5 dB，此時(shí)能量輻射效率最高。

圖4 縫隙長度與S參數(shù)的關(guān)系

將縫隙設(shè)置為寬度1 mm，長度6 mm時(shí)，天線總增益的三維圖如圖5所示。根據(jù)圖5可以看出，在天線輻射單元一邊增益分布均勻。在垂直天線輻射單元方向，天線增益最大，最大增益為8 dB。

圖5 矩形天線3D方向圖

通過圖5可以看出增益分布呈旋轉(zhuǎn)對(duì)稱狀態(tài)。為了清晰看某一切面的增益分布，選擇PHI值為0和90°兩個(gè)切面。圖6為兩個(gè)切面的增益分布圖，可以看出兩個(gè)切面的增益圖幾乎一致，即天線的三維分布呈旋轉(zhuǎn)對(duì)稱關(guān)系。在地平面上方，天線幾乎沒有方向性，近似全向天線[11]。

圖6 矩形天線2D方向圖

本文通過對(duì)原始的矩形微帶天線改進(jìn)，在饋電端加入縫隙，使天線的反射能量大為減少，能夠滿足工程中對(duì)天線的使用要求。本天線近似全向天線，可以滿足小型設(shè)備和手持設(shè)備基本的使用要求。

3 結(jié) 論

通過前面的描述，本文所設(shè)計(jì)的天線可以實(shí)現(xiàn)全向能量傳輸，同時(shí)在設(shè)計(jì)頻率范圍內(nèi)輸入端的反射能量＜-17.5 dB。相較于普通的矩形微帶天線，在饋電端引入縫隙可以調(diào)整天線的S參數(shù)，即調(diào)整了天線的輸入阻抗。此外，本文所描述的方法可以用在一般矩形天線設(shè)計(jì)上，效果較好。