雙層寬頻微帶天線的設計

摘 要:微帶天線的窄頻帶特性是限制其廣泛應用的重要原因之一，因此，如何展寬微帶天線的帶寬的問題一直受到研究人員的關注。通過采用雙層多貼片及在兩貼片之間加入空氣層的結構來達到增加微帶天線帶寬的目的。此外，利用微帶線進行正交饋電，在滿足寬頻帶的同時，也實現了天線的圓極化。由貼片間的諧振耦合作用，該天線的頻帶展寬為1104%(VSWR≤2)，且增益達到了52 dB，可以在1206~1346 G的L波段內工作。

關鍵詞:微帶天線; 雙層貼片; 寬頻帶; 圓極化

中圖分類號:TN82-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)21-0067-03

Design of Double-layer Patch Broadband Micro-strip Antenna

LI Xu-zhe， SU Hua， LI Xun， LIU Teng

(State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices， University of Electronic Science and Technology， Chengdu 610054， China)

Abstract: The narrow bandwidth property of a micro-strip antenna is one of the important reasons to restrict its wide application， so how to broaden the bandwidth of micro-strip antenna has been the concern of the related researchers. Some methods to broaden the bandwidth of micro-strip antennas have been proposed in the past few years， and have achieved good effects.The double-layer patch is adopted and inserted between the two air-layer structures to implement the purpose of increasing the bandwidth of micro-strip antennas. In addition， the orthogonal feed is used to achieve a circular polarization of antennas. Since there is the function resonance coupling between the patches， the bandwidth of the micro-strip antenna is extended to 11.04% under the condition of VSWR≤2 and the gain reaches 5.2 dB. It can work well within L band from 1206~1346 GHz.

Keywords: microstrip antenna; double-layer patch; wideband; circular polarization

0 引 言

微帶天線是在帶有導體接地板的介質基片上附加導體貼片而構成的天線，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點，而廣泛應用于測量和通訊各個領域。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[1-2]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，外界環境的微小變化都有可能使得頻點發生漂移，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。

針對擴寬微帶天線的頻帶問題，已經有了很多設計方法:增加介質基板的厚度，但這樣會引入表面波損耗;減小介質的相對介電常數，但是會使基板的尺寸加大;增加寄生單元[3]，同樣會使基板的面積加大;增加阻抗匹配網絡[4-5];縫隙耦合饋電[6-7];采用多層結構[8]等。

本文采用在雙層貼片間加入空氣層的結構，利用兩個貼片之間的相互耦合作用，產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構、理論和仿真結構進行論述，并在最后給出了結論。

1 微帶天線的設計

1.1 雙層微帶天線的結構

微帶天線的結構如圖1所示，與傳統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f01 ，邊長為Le1 ，上層貼片的諧振頻率為f02 ，邊長為Le2，有:

f01=c2Le1εc1

(1)

f02=c2Le2εc2

(2)

式中:c為自由空間中的光速。

εc1=ε1

(3)

εc2=he1/h1ε1+h2ε2

(4)

he1=h1+h2

(5)

式中:ε1和ε2分別代表底層介質基板的相對介電常數和上層介質基板的相對介電常數;h1代表底層介質基板的厚度;h2代表空氣層的厚度。

Lei=Li+2ΔLi

(6)

ΔLi=0.412heiεei+0.3εei-0.258Li/hei+0.264Li/hei+0.8(7)

εei=εci+12+εci-121+10heiLi-12

(8)

式中:Lei與ΔLi分別表示貼片的實際邊長和貼片的伸長量;εei為有效介電常數。

圖1 雙層微帶天線的俯視圖與側視圖

1.3 雙層微帶天線的尺寸參數

本文采用的基板是TACNIC公司的介質基板，ε1=2.65，h=0.5 mm。其中，上貼片L2=95 mm，下貼片L1=70 mm;底層介質基板的厚度為h1=1 mm，中間空氣層的厚度為h2=13 mm，介電常數為ε2=10(也可以采用介電常數接近于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的目的)。經過多次仿真實驗，發現當W1=6.4 mm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果與分析

根據上述各個參量值，采用Ansoft公司的HFSS對本文所設計的微帶天線進行了仿真，仿真結果如下:

圖2給出了S11≤-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。

圖2 S11≤-10dB時，微帶天線的頻帶展寬情況

圖3 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1.206～1.346 GHz之間，中心頻率為1.276GHz，與北斗頻點1.268 GHz相距很近，頻帶寬度達到了BW=140 MHz，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)。適當的調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的介質基板即可[9]。

從圖5中可以看出，微帶天線的部分軸比小于3dB，從而實現了天線的圓極化，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。

圖4 微帶天線的增益

圖5 微帶天線的軸比仿真圖

2 結 論

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構。在VSWR≤2時，頻帶范圍在1206～1346 GHz之間，帶寬達到了140 MHz，相對帶寬達到了1104%。在工作頻段內，天線的增益有稍許提高，軸比可以接受，所以此天線結構是一種比較經濟實用的微帶天線結構。

參考文獻

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