【無線射頻天線】-一種Ku波段寬頻帶微帶天線的仿真設(shè)計

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----一種Ku波段寬頻帶微帶天線的仿真設(shè)計1引言

微帶天線由于其體積小、重量輕、剖面低、易于和載體共形、及易于加工和電路集成等諸多優(yōu)點，在通信和雷達領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是其固有的頻帶窄，一般典型微帶天線的帶寬在0.7%到7%左右，功率容量低，限制了其應(yīng)用。近年來很多國內(nèi)外的天線工在圍繞如何展寬微帶天線的帶寬上做了大量的討論，也取得了顯著的成果，詳細可以歸納為以下幾種方法：1增加介質(zhì)基板的厚度，降低介質(zhì)的介電常數(shù)；2對饋電電路采納寬帶阻抗匹配（如采納阻抗匹配電路或開縫耦合饋電等）；3采納層疊貼片實現(xiàn)多貼片諧振；4采納開槽加載技術(shù)；5修改貼片外形；6新型基片材料的使用。在通常狀況下，可以采納多種方法相結(jié)合的方法，這樣往往能夠取得比較好的效果。

在諸多方法中采納口徑耦合饋電擴展微帶天線的帶寬是比較勝利的一種方法。這種耦合饋電的方法最早是由Pozar于1985年提出的，與傳統(tǒng)的同軸饋電或側(cè)饋相比，縫隙耦合饋電結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是，這種饋電結(jié)構(gòu)更適合電路的集成；由于采納了不共面的設(shè)計，由地面把輻射部分和饋電結(jié)構(gòu)隔開，削減或消退了饋電結(jié)構(gòu)對天線方向圖的寄生輻射影響，能獲得寬頻帶的駐波比特性。Vivek通過試驗的方法討論了幾種開不同的耦合槽對天線耦合量的影響，試驗證明開H型耦合槽可以得到較大的耦合量，開H形槽耦合的微帶天線一般可以獲得10%(VSWR2)左右的相對帶寬,而且具有良好的交叉極化性能。文獻使用了H型槽耦合饋電達到了寬頻帶和高增益的較好效果。通過修改H型槽從而獲得了良好的極化效果和寬頻帶特性。此外，改進了H型耦合饋電的結(jié)構(gòu)，在H型槽耦合饋電的基礎(chǔ)上，在輻射貼片上也開H型槽，增加了饋線與貼片之間的耦合，從而擴展了天線的帶寬。

在以上的討論基礎(chǔ)上，本文采納了H型槽耦合饋電，并在輻射貼片邊緣處開縫的結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)較寬頻帶的阻抗帶寬。通過仿真發(fā)覺該種新結(jié)構(gòu)的微帶天線在中心頻率14.5GHz能夠達到39.8%的阻抗相對帶寬（S11-10db）。表明該結(jié)構(gòu)能夠有效地展寬微帶天線的帶寬。

2天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

這種寬頻帶微帶天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1(a)是天線的側(cè)視圖，它是由四層介質(zhì)和貼片構(gòu)成的。其中其次層介質(zhì)Foam是介電常數(shù)為1.0006的泡沫塑料，其他三層介質(zhì)均是介電常數(shù)為2.2的RogersRT/duroid5880(tm)材料，er0=er2=er3=2.2，er1=1.0006。天線最上方的一層Radome是由介質(zhì)板構(gòu)成的天線罩，用來愛護天線表面，它對天線的方向圖、輻射效率、增益都略有影響。

天線的主體是由中間的兩層介質(zhì)板組成，如圖1(a)所示。Foam是一層介電常數(shù)很低的泡沫塑料，對輻射貼片起支撐作用。增加該層介質(zhì)基板的厚度H1，減小其介電常數(shù)er1均能起到增加微帶天線的阻抗帶寬的效果，但是厚度增加會使貼片與縫隙之間的耦合減弱，表面波增加，而且天線的尺寸增大，所以在實際設(shè)計時需要綜合考慮。Foam上附著的是矩形輻射貼片，如圖1(b)所示。輻射貼片的長度L1打算了天線的諧振頻率，由于縫隙耦合使得諧振長度與理論值有較大的出入，因此在設(shè)計時要把耦合縫隙的尺寸和貼片的尺寸結(jié)合起來考慮。寬度W1對方向圖、頻帶寬度和輻射效率都有影響，當(dāng)寬度取大時對頻帶、效率和阻抗匹配都有利，但是當(dāng)W1大于肯定值時會產(chǎn)生高次模，引起場的畸變。理論討論表明當(dāng)輻射貼片的寬度是長度的2倍時，阻抗帶寬能增加1.6倍左右。

本文在設(shè)計時利用了高次模的影響，取寬度接近于長度的2倍，詳細的尺寸在仿真優(yōu)化時可以得到。我們在貼片的邊緣處分別開了矩形窄縫，由于縫隙很窄且靠近貼片的輻射邊緣，所以他對貼片自身的諧振頻率點幾乎沒有影響，然而由于窄縫的存在，其自身相當(dāng)于一個縫隙輻射器，又能得到一個新的諧振頻點，并且該頻點是由縫隙的長度決定，當(dāng)這兩個諧振頻率點拉的很近時，就起到了擴展帶寬的效果。

在兩層介質(zhì)板之間是開有H型耦合孔徑的接地板，如圖1(c)所示。其中H型槽尺寸對天線的諧振頻率及諧振阻抗都有較大的影響，文獻[9]討論表明：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力量增加。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。通常在設(shè)計時，為了削減背向輻射，縫隙的寬度取較小的值，然后再通過固定縫隙的一個長度，對另一個長度進行仿真優(yōu)化，而獲得抱負(fù)結(jié)果。

（a）天線側(cè)視圖

（b）輻射貼片

（c）接地板

圖1微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖

在接地板和饋線之間是一層介質(zhì)板，理論上說其介電常數(shù)越大對波的束縛作用越好，削減漏波，增大能量耦合效率。饋電網(wǎng)絡(luò)采納50歐姆的微帶開路線，通過調(diào)整開路枝節(jié)ls的長度來改善輸入端口的阻抗特性，來實現(xiàn)輻射貼片的寬頻帶匹配。為了減小H型槽耦合饋電帶來的背向輻射，在天線的底部加入一反射板（Reflector），以提高天線的增益和改善天線方向圖的前后比。

3仿真及分析

本文利用基于有限元方法的數(shù)值仿真軟件進行幫助設(shè)計，設(shè)計了一個工作在Ku波段的線極化微帶天線。由于該結(jié)構(gòu)天線的參數(shù)較多，在仿真設(shè)計時我們依據(jù)理論分析了解每個參數(shù)對天線性能的可能影響，然后再分別對每個參數(shù)進行仿真優(yōu)化，因此這個過程是個不斷修正不斷往復(fù)的過程，直至最終獲得滿足的結(jié)果。經(jīng)過仿真優(yōu)化后天線的尺寸如表1所示。

仿真得到的天線反射系數(shù)（S11）圖如圖2所示，由圖可知，該天線S11-10db的阻抗帶寬為11.66GHz~17.45GHz，達到了39.8%的相對帶寬。優(yōu)于同軸探針饋電和僅使用H型槽耦合饋電的微帶天線。仿真結(jié)果表明，實行H型槽耦合饋電，并在輻射貼片上開縫結(jié)構(gòu)的微帶天線具有寬頻諧振特性。

表1天線結(jié)構(gòu)尺寸（單位：mm）

W

L

W1

L1

H0

H1

50

50

15.6

8.8

1

1.6

H2

H3

D0

la

lb

W_slot

1

1

0.8

4.2

0.2

0.5

wa

wb

wf

ls

L_slot

0.2

3.5

1.7

3.3

13.8

圖2S11曲線

圖3分別給出了天線在15GHz的E面和H面方向圖，以及各自的交叉極化方向圖。由圖可知，天線E面和H面的半功率波束寬度（HPBW）分別是65和58。交叉極化電平分別小于-38db和-28db,可見該天線的交叉極化特性良好。E面和H面的天線方向圖前后比分別優(yōu)于19db和26db，可見由于反射板的存在，抑制了天線的背向輻射，而且提高了天線的輻射效率。這些結(jié)果表明白該結(jié)構(gòu)微帶天線具有良好的電性能和輻射特性，具有肯定的實際應(yīng)用意義。

圖3天線E面、H面及其交叉極化方向圖

4結(jié)論

本文提出了一種在輻射貼片上開縫并使用H型槽耦合饋電的微帶天線結(jié)構(gòu)，并利用高頻數(shù)值仿真軟件對天線結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了仿真優(yōu)化，設(shè)計出了一種工作于Ku波段的天線。與傳統(tǒng)的H型槽耦合饋電微帶天線相比，在輻射貼片和開有H型耦合孔