引言

微帶天線(xiàn)，作為20世紀(jì)70年代研究成功的一種新型天線(xiàn)，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、低剖面、易于與飛行器表面共形安裝和可與微帶電路集成等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信、航空航天、電子對(duì)抗及雷達(dá)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但微帶天線(xiàn)也因其增益低、頻帶窄(通常帶寬只有(0.7%—7%)等缺陷限制了它的應(yīng)用范圍。隨著軍事通信、移動(dòng)通信中跳頻、擴(kuò)頻通信技術(shù)的發(fā)展，要求天線(xiàn)在瞬時(shí)頻率上寬帶化顯得越來(lái)越迫切，特別是我國(guó)目前處于2G-3G的過(guò)渡階段，移動(dòng)通信用戶(hù)的急劇增長(zhǎng)，使得通信系統(tǒng)不斷更新和擴(kuò)容。為減小無(wú)線(xiàn)通信中的干擾并降低成本，要求天線(xiàn)在寬頻帶內(nèi)工作。因此，微帶天線(xiàn)的寬頻帶技術(shù)的研究已經(jīng)成為一個(gè)迫切的研究課題。

目前，微帶天線(xiàn)的寬頻帶技術(shù)主要有：增加介質(zhì)基片厚度，減小介質(zhì)介電常數(shù);修改等效電路，如附加寄生貼片、采用電磁耦合饋電等;附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò);改變輻射板形狀，如采用分形結(jié)構(gòu)或曲邊結(jié)構(gòu)等Chang, Long和Richards等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)用增加基片厚度的方法得到了20%的天線(xiàn)工作頻帶寬度。Purchine, Aberie 和Birtcher等人把微帶天線(xiàn)看成是一個(gè)諧振電路，在微帶天線(xiàn)的輻射板和接地板之間并接一個(gè)變?nèi)荻O管，用微處理器控制改變加到變?nèi)荻O管上的反向偏壓，應(yīng)用調(diào)諧方法可以在1.55GHz—1.93GHz(相當(dāng)于22%)的頻帶寬度上連續(xù)工作。An.Nanwelaers和Capelle在微帶天線(xiàn)輸入端與微帶線(xiàn)饋線(xiàn)之間加一個(gè)電抗匹配網(wǎng)絡(luò)，可以得到16.82%的天線(xiàn)工作頻帶。Fang Yang 和Xue Xia Zhang等人采用E形貼片天線(xiàn)在無(wú)線(xiàn)通信頻率范圍內(nèi)的帶寬可以達(dá)到30.3%。

由此可見(jiàn)，展寬微帶天線(xiàn)的帶寬已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但上面的方法也存在不足。如采用厚基片的微帶天線(xiàn)會(huì)造成表面波效應(yīng)明顯增加，且天線(xiàn)的體積及重量也會(huì)隨之增大;采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)或是通過(guò)修改等效電路的方法則會(huì)帶來(lái)理論上分析的復(fù)雜性和天線(xiàn)制作困難等問(wèn)題;此外，通過(guò)改變輻射板形狀的方法會(huì)對(duì)天線(xiàn)制造公差提出更高的要求。基于以上分析，本文采用引入空氣層的方法有效地展寬了天線(xiàn)的工作頻段，天線(xiàn)在整個(gè)工作頻帶內(nèi)具有良好的輻射特性，且該天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作。

2 設(shè)計(jì)原理

本文擬設(shè)計(jì)的雙頻微帶天線(xiàn)工作于S波段(2.0GHz—4.0GHz)的頻率范圍內(nèi)，其設(shè)計(jì)指標(biāo)為：

(1)工作中心頻率3.0GHz：

(2)駐波比VSWR≤2.0;

(3)天線(xiàn)相對(duì)帶寬BW≥10%在普通矩形微帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)所要求的帶寬及增益，來(lái)確定介質(zhì)板的材料及厚度。一般可以給根據(jù)天線(xiàn)所工作的中心頻率，由以下兩式求出輻射片的尺寸：

， (1)

， (2)

(3) 其中W和L分別為輻射單元的寬度和長(zhǎng)度，

為線(xiàn)伸長(zhǎng)量，

為介質(zhì)等效介電常數(shù)。

由于本文采用帶空氣層的雙層微帶天線(xiàn)，故可以通過(guò)腔模理論計(jì)算出介質(zhì)層的等效介電常數(shù)公式如下：

， (4) 其中為空氣層厚度，

為介質(zhì)層厚度，

為介質(zhì)介電常數(shù)。當(dāng)

時(shí)，微帶天線(xiàn)的帶寬的經(jīng)驗(yàn)公式可以表示為：

，(5) 其中

為中心頻率，

為介質(zhì)基板厚度。為了獲得寬頻特性，應(yīng)該采用介電常數(shù)相對(duì)較小的介質(zhì)作為基板。此處我們所采用的介質(zhì)為Rogers RT/duroid 5880(相對(duì)介電常數(shù)

，損耗角正切

)。從理論上來(lái)說(shuō)，接地板可以視為無(wú)限大，然而在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，考慮到天線(xiàn)安裝尺寸、重量及其成本方面的諸多因素，接地板尺寸應(yīng)盡可能的小。在實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)?shù)匕鍖挾葷M(mǎn)足

時(shí)，即可將地板視為無(wú)限大。 結(jié)合以上各種因素，最終設(shè)計(jì)的天線(xiàn)尺寸為：輻射板尺寸：

; 接地板尺寸：

; 天線(xiàn)厚度：

，其中空氣層厚度為2mm，介質(zhì)層厚度為1mm。

天線(xiàn)的設(shè)計(jì)圖形如下圖1所示：

圖1 天線(xiàn)俯視圖及側(cè)視圖

3 天線(xiàn)的仿真分析

利用HFSS 10.0對(duì)上述天線(xiàn)進(jìn)行仿真，可以得到天線(xiàn)的回波損耗圖、電壓駐波比(VSWR)圖及天線(xiàn)的輻射方向圖形分別如下所示：

圖2 天線(xiàn)回波損耗仿真圖

圖3 天線(xiàn)駐波比圖

圖4 天線(xiàn)輻射方向圖(

)

圖5 天線(xiàn)輻射方向圖(

)

圖6 天線(xiàn)輻射方向圖(

)

圖7 天線(xiàn)輻射方向圖(

) 由圖2和圖3中可以看出，在

時(shí)，天線(xiàn)的工作頻率為2.97GHz-3.94GHz，其相對(duì)帶寬達(dá)到了28.12%，滿(mǎn)足了天線(xiàn)寬頻工作的要求。從天線(xiàn)方向圖(E面為藍(lán)色，H面為紅色)可以看出，當(dāng)天線(xiàn)諧振頻率為3.1GHz時(shí)，天線(xiàn)的主輻射方向?yàn)?/p>

，此時(shí)天線(xiàn)的增益為9.280dB，天線(xiàn)的后向輻射較小(-6.981 dB)，其前后比約為16.261dB。

在天線(xiàn)工作頻段內(nèi)，當(dāng)頻率分別為3.0GHz、3.7gGHz和3.9GHz時(shí)，天線(xiàn)輻射方向圖與諧振頻率處的基本一致，說(shuō)明天線(xiàn)在整個(gè)工作頻段內(nèi)具有良好的輻射特性。

由于天線(xiàn)接地板尺寸有限，不滿(mǎn)足可以視為無(wú)限大的條件，故天線(xiàn)存在后向輻射。在天線(xiàn)所占用的空間要求不嚴(yán)格的情況下，可以通過(guò)采用適當(dāng)增大接地板尺寸的方法來(lái)降低天線(xiàn)的后向輻射。

為了說(shuō)明所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)性能的優(yōu)越性，我們將其與普通單層微帶天線(xiàn)進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)普通單層微帶天線(xiàn)進(jìn)行了仿真，其回?fù)p圖、駐波比圖及諧振頻率點(diǎn)的輻射方向圖如下：

圖8 普通天線(xiàn)回波損耗仿真圖

圖9 普通天線(xiàn)駐波比仿真圖

圖10 普通天線(xiàn)輻射方向圖(

)

圖11 天線(xiàn)輻射方向圖(

)

從圖8和圖9可以看出，普通單層微帶天線(xiàn)的工作頻段分別為2.92～03.24GHz和3.46～3.88GHz，其相對(duì)帶寬為 10.39% 和11.44% ，天線(xiàn)在3.25～3.45GHz頻段內(nèi)的阻抗匹配欠佳?？梢?jiàn)，采用帶空氣層的雙層微帶天線(xiàn)有效地改善了天線(xiàn)的阻抗匹配，天線(xiàn)的工作帶寬明顯大于普通單層微帶天線(xiàn)的帶寬。從圖10和圖11可知，普通微帶天線(xiàn)的輻射特性與帶空氣層的微帶天線(xiàn)的輻射特性基本相同。

通過(guò)以上分析我們可以得出，帶空氣層的微帶天線(xiàn)整體性能良好。該天線(xiàn)在保證寬帶工作的同時(shí)，天線(xiàn)具有很高的增益，且其后向輻射很低。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用帶空氣層的微帶天線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)的寬頻工作特性，并將該天線(xiàn)與普通單層微帶天線(xiàn)進(jìn)行了仿真分析對(duì)比。通過(guò)仿真結(jié)果分析表明，天線(xiàn)在保證寬帶工作的前提下，天線(xiàn)在整個(gè)工作頻段內(nèi)的輻射特性良好。此外，所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便制作，在一定程度上減輕了天線(xiàn)的重量，從而節(jié)約了天線(xiàn)成本，在天線(xiàn)工程中具有良好的應(yīng)用前景。