- 微帶天線的設計
- 雙層微帶天線的結(jié)構(gòu)
- 雙層微帶天線的理論分析
- 雙層微帶天線的尺寸參數(shù)
微帶天線是在帶有導體接地板的介質(zhì)基片上附加導體貼片而構(gòu)成的天線，采用微帶線或者同軸探針對貼片進行饋電，在貼片和接地板之間激勵起電磁場，通過貼片與縫隙向外輻射。由于微帶天線具有體積小，剖面低，重量輕，易饋電以及易與載體共形安裝等優(yōu)點，而廣泛應用于測量和通訊各個領(lǐng)域。
但是，由于微帶天線是一種諧振式天線，高Q特性也就決定了其輸入阻抗對頻率變化很敏感，導致了貼片天線的頻帶較窄(一般頻帶的相對帶寬只有2％～5％)。對于工作在北斗頻段的微帶天線而言，由于帶寬較窄，所以對工作頻點的準確性有很高的要求，外界環(huán)境的微小變化都有可能使得頻點發(fā)生漂移，導致天線無法正常工作，為了解決這個問題，可以擴寬微帶天線在頻點周圍的頻帶，這樣即使發(fā)生了頻點漂移，天線的工作頻點依然可以保持在天線的工作帶寬范圍內(nèi)。
針對擴寬微帶天線的頻帶問題，已經(jīng)有了很多設計方法：增加介質(zhì)基板的厚度，但這樣會引入表面波損耗；減小介質(zhì)的相對介電常數(shù)，但是會使基板的尺寸加大；增加寄生單元，同樣會使基板的面積加大；增加阻抗匹配網(wǎng)絡；縫隙耦合饋電；采用多層結(jié)構(gòu)等。本文采用在雙層貼片間加入空氣層的結(jié)構(gòu)，利用兩個貼片之間的相互耦合作用，產(chǎn)生兩個相近的諧振頻率點，從而達到增加微帶天線頻帶寬度的目的。下面對該微帶天線結(jié)構(gòu)、理論和仿真結(jié)構(gòu)進行論述，并在最后給出了結(jié)論。
微帶天線的設計
1．1雙層微帶天線的結(jié)構(gòu)微帶天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，與傳統(tǒng)微帶天線采用同軸探針對貼片進行饋電不同，本文采用了正交微帶線對貼片進行饋電，這樣既可以避免因為同軸探針的使用而引入電感，對天線的阻抗匹配帶來不便，也可以簡單地實現(xiàn)天線的圓極化功能。兩條正交微帶線的寬度相同，均為W1。此外，從圖中可以看到，在兩個貼片之間加入了空氣層，使其起到降低介電常數(shù)的作用，從而達到增加頻帶寬度的目的。
1．2雙層微帶天線的理論分析具體的推導步驟如下，假設下層貼片的諧振頻率為f01，邊長為Le1，上層貼片的諧振頻率為f02，邊長為Le2，有：
[page]1．3雙層微帶天線的尺寸參數(shù)本文采用的基板是TACNIC公司的介質(zhì)基板，ε1=2．65，h=O．5mm。其中，上貼片L2=95mm，下貼片L1=70mm；底層介質(zhì)基板的厚度為h1=1mm，中間空氣層的厚度為h2=13mm，介電常數(shù)為ε2=1．0(也可以采用介電常數(shù)接近于1的泡沫材料代替空氣層，本文選擇用空氣層來達到降低有效介電常數(shù)的目的)。
經(jīng)過多次仿真實驗，發(fā)現(xiàn)當W1=6．4mm時，微帶天線可以得到較好的阻抗匹配。1．4雙層微帶天線的仿真結(jié)果與分析根據(jù)上述各個參量值，采用Ansoft公司的HFSS對本文所設計的微帶天線進行了仿真，仿真結(jié)果如下：圖2給出了S11≤-10dB時的微帶天線的頻帶展寬情況，圖3則給出了VSWR≤2時，微帶天線的頻帶展寬情況。
從圖2，圖3中可以看出，微帶天線的工作頻帶在1．206～1．346GHz之間，中心頻率為1．276GHz，與北斗頻點1．268GHz相距很近，頻帶寬度達到了BW=140MHz，相對寬度為11．04％，遠遠超過了普通微帶矩形貼片天線的工作帶寬的范圍(一般普通的微帶天線相對帶寬在2％～5％左右)。適當?shù)恼{(diào)整空氣層的厚度還可以控制諧振點的變化。
此外，從圖2，圖3中還可以看到，在工作的頻帶范圍內(nèi)有2個諧振頻點，這是由上，下2個貼片各自諧振而引起的，可見雙層貼片可以產(chǎn)生兩個諧振點，進而可以有效地達到展寬微帶天線頻帶的目的。
由圖4可以看到，雙層微帶天線的增益達到了5．2dB，較之傳統(tǒng)的微帶天線增益有少許增加，由此可見，雙貼片的微帶天線在提高增益方面也有一定的貢獻。若要大幅度提高微帶天線的增益，則可以在頂層貼片上再覆蓋一層εr>>1的介質(zhì)基板即可。從圖5中可以看出，微帶天線的部分軸比小于3dB，從而實現(xiàn)了天線的圓極化，但是微帶天線的最大輻射方向偏離軸向，天線的軸向比變差。該微帶天線基本可以滿足圓極化的要求。
針對微帶貼片天線頻帶較窄的特點，本文提出了一種利用正交微帶線進行饋電的雙貼片微帶天線結(jié)構(gòu)。在VSWR≤2時，頻帶范圍在1.206～1.346GHz之間，帶寬達到了140MHz，相對帶寬達到了11．04％。在工作頻段內(nèi)，天線的增益有稍許提高，軸比可以接受，所以此天線結(jié)構(gòu)是一種比較經(jīng)濟實用的微帶天線結(jié)構(gòu)。
