L型探針饋電的微帶天線的仿真研究與設計＊

王淵博，宋 錚，吳 偉

（電子工程學院脈沖功率激光技術國家重點實驗室，合肥 230037）

0 引言

微帶天線經過30多年的不斷發展，已經在衛星通信、雷達、遙感、導彈遙控、電子對抗、醫用設備等領域得到了廣泛應用。但如何提高微帶天線的性能依然是研究者們不斷追求的目標。饋電方式是影響微帶天線性能的一個重要方面。微帶天線常見的饋電方式主要有探針饋電、微帶線饋電還有孔縫耦合饋電等。其中探針饋電在微帶天線中是用的比較多的一種饋電方式。對于介質層比較厚的微帶天線采用探針饋電，由于探針比較長，導致天線輸入阻抗的電感性加強，影響天線的帶寬。為了克服這一缺點，可以采用脊型地板技術[1]，另外采用L型探針饋電也可以有效的克服這一影響[2]。與其他展寬頻帶技術相比，采用L型探針饋電通常介質層是空氣層或為與空氣介電常數差不多的泡沫，因此具有重量輕、方便、易于制作、成本低等優點。目前L型探針饋電已經應用于微帶天線的設計中[3－5]。

文中主要是采用矩量法對L型探針饋電進行研究，目的是想要得到它對基本微帶結構性能的影響具有那幾方面的因數，以期對L型探針饋電微帶天線的設計提供一些指導。并最后設計一副頻率覆蓋通信衛星下行傳輸信號頻段3.2～4.4GHz的帶有介質層的L型探針饋電的微帶天線。

1 天線基本模型

對于介質厚度為h，天線工作頻率為f的矩形微帶天線，根據文獻[6]計算矩形貼片的寬度和長度的經驗公式為：

式（1）、式（2）中：c為光速，εe為等效介電常數且有：

根據式（1）～式（4），設計天線的基本模型如圖1所示，金屬地板的大小為Gw×Gl＝100mm×100mm，金屬貼片的大小為W×L＝30mm×24mm，介質層為空氣，金屬貼片用泡沫板固定，泡沫板的介電常數與空氣的差不多為εr＝1.06，探針半徑為r＝0.5mm，距貼片邊的距離S＝2mm。天線的工作頻率為f0＝5GHz，相應的波長λ0＝0.06m。

圖1 天線的基本模型

2 天線的MOM分析

根據等效原理建立求解天線的電場積分方程為：

其中：J為等效電流，Ei為激勵源產生的電場，且：

將等效電流利用RWG函數[7]展開：

采用伽遼金法對方程進行離散有：

金屬地板以及金屬貼片采用平面三角形進行剖分建模，而對于探針的建模通常有兩種方式：細帶等效[8]和立方柱體等效[9]，如圖2所示。

細帶與金屬底板的公共邊對應3對三角面對，即三角形m與三角形p、三角形m與三角形n、三角形p與三角形n，具體計算過程中為了避免重復需要去掉三角形m與三角形p面對，對剩余的兩個面對公共邊施以δ函數發生器。同樣立方柱體底端4條邊每條邊均對應3對三角面對，由于電流僅分布于柱體表面，故柱體底面與其側面所形成的面對應去掉。δ電壓源則加在柱體與金屬底板構成4條公共邊上，為了保證電流的流向符合實際饋電情況，規定位于金屬底板上的三角形為正三角形，柱體表面的為負三角形。

圖2 探針等效

下面就以上兩種等效方法對L型探針進行等效，計算圖1所設計的天線取Lv＝9mm，Lh＝0.7mm，H＝6mm （0.1 λ0），并與HFSS、FEKO仿真軟件仿真結果進行比較，如圖3所示，從中可以看出無論是細帶等效還是立方柱體等效與HFSS、FEKO仿真軟件仿真結果均相差很多，這是由于L型探針饋電是通過耦合作用于金屬貼片，細帶和立方柱體不能用于等效L型探針饋電，不能夠準確描述探針和金屬貼片之間的耦合作用。至于HFSS與FEKO的結果存在差異是由兩者的計算方法不同且饋電的處理不同引起的。

圖3 細帶及立方柱體等效結果與HFSS、FEKO結果的比較

圖4 直接剖分結果與HFSS、FEKO結果比較

為了準確模擬探針和金屬貼片之間的耦合作用，需要保持探針的結構不能改變，故將圓柱形探針的外表面直接用三角形剖分建模。探針與金屬底板接觸處的饋電處理和立方柱體的處理方法相同。仿真計算結果如圖4所示，通過與HFSS以及FEKO對比，可以看到三者結果吻合得較好，尤其是同FEKO仿真結果的吻合，這說明了文中計算程序是正確的。

3 天線參數分析

在天線基本結構不變的情況下，即地板大小、貼片大小、饋電點位置以及所采用的介質相同，L型探針饋電的微帶天線與普通探針饋電的微帶天線相比，導致性能上的差異主要來自受H、Lv、Lh取值的影響。下面就對H、Lv、Lh的取值做具體分析。

3.1 H的取值影響

采用L型探針饋電目的就是抵消普通探針饋電由于介質層較厚所產生的較大電感，使天線達到較大帶寬。取Lv＝9mm，Lh＝0.7mm，對H取不同的值分別對兩種天線進行仿真對比，仿真結果如表1所示。

表1 H的取值影響

從表1仿真結果來看，不是在H取任何值L型探針饋電的微帶天線都優于普通探針饋電的微帶天線，在Lv、Lh一定的情況下，當H ≤0.07λ0時，采用L型探針饋電對微帶天線的帶寬改善不大，而且天線的工作頻率也不同，L型探針饋電天線的工作頻率較低；當H≥0.08λ0時，采用L型探針饋電對微帶天線的帶寬有明顯的改善。這也說明了只有當H取值較大時，從試驗來看當H≥0.08λ0時，采用L型探針饋電對改善天線的性能具有較大幫助。尤其是當由于介質層太厚采用普通探針饋電導致天線根本無法匹配的情況下，采用L型探針饋電可以極大改善天線的工作帶寬，如果要求S11＜－10dB，相對帶寬可以達到30%以上。這也符合文獻[2]的試驗結果。

3.2 Lv、Lh 的取值影響

由于抵消電容的大小同時與Lv、Lh有關，下面同時考慮Lv、Lh的變化對采用L型探針饋電的微帶天線的影響。取 H ＝6mm （0.1 λ0）。Lv、Lh的單位為mm，帶寬BW用 （fmin、fmax）x%表示，其中fmin、fmax分別為低頻點和高頻點，單位為GHz，x%為相對帶寬。計算結果如表2所示，從中可以得到以下結論：

1）由于抵消電容的大小與Lv成正比，與Lh成反比，故天線帶寬與Lv、Lh的取值密切相關。天線帶寬的高頻端fmax主要受Lv的影響，fmax隨Lv增大而減??；天線帶寬的低頻端fmin主要受Lh的影響，fmin隨Lh增大而增大；由于H一定，當Lv變大時，為使天線帶寬達到最大，Lh取值也較大，這樣就使天線的最大帶寬隨著Lv、Lh的增大而減小。而從MOM計算結果來看，Lv、Lh也不能取值過小，這樣會使天線的最大帶寬被分割。

表2 Lv、Lh的取值影響

2）圖5所示為當Lv＝9mm，Lh分別取1.5mm，0.7mm，0.3mm時的電抗特性曲線。從圖中可以看到，當Lh＝1.5mm時，天線工作在4.3～4.6GHz，位于電抗的前上升段，電抗呈現容性；當Lh＝0.3mm時，天線工作在4.8～5.5GHz，位于電抗的后上升段，電抗呈現感性；而當Lh＝0.7mm時，天線工作在4.0～5.7GHz，位于電抗的中間段，電抗特性隨著頻率的升高由感性向容性變化。由此可以得到，當L型探針饋電微帶天線的帶寬由于容抗偏大而限制天線帶寬時，可以增加探針的高度即減小Lh，使感抗增加，從而增大天線帶寬；相反當L型探針饋電微帶天線的帶寬由于感抗偏大而限制天線帶寬時，可以減小探針的高度即增加Lh，使感抗減小，從而增大天線帶寬。

3）圖 6 所示為 當 Lh＝ 0.9mm，Lv分別取7.2mm、9mm、13mm時的電抗特性曲線，其中當Lv＝13mm時，天線工作在4.6～5.2GHz。從中可以得到和2）中相似的結論：當L型探針饋電微帶天線的帶寬由于容抗偏大而限制天線帶寬時，可以增加探針的臂長即增加Lv，使容抗減小，從而增大天線帶寬；相反當L型探針饋電微帶天線的帶寬由于感抗偏大而限制天線帶寬時，可以減小探針的臂長即減小Lv，使容抗增加，從而增大天線帶寬。

4）當Lv一定時，如圖5所示，電抗隨著Lh的增大而整體減小，這是由于Lh增大，探針高度變低，引起的感抗減小，同時L型探針與貼片產生的抵消電容減小，引起的容抗變大，導致電抗曲線隨Lh的增大而下移；當Lh一定時，如圖6所示，電抗會隨著Lv的增大而整體增大，這是由于Lv增大，使L型探針與貼片產生的抵消電容增大，引起的容抗變小，導致電抗曲線隨Lv的增大而上移。

圖5 Lv＝9mm電抗特性曲線

圖6 Lh＝0.9mm電抗特性曲線

4 帶有介質層的L型探針饋電的微帶天線設計

通過以上對L型探針的結構參數分析，可以看到對于厚介質的微帶天線采用L型探針饋電可以有效的增加天線的帶寬，影響天線匹配的主要參數是L型探針的高度以及其彎折臂的長度，通過合理的調節其高度及其臂長就能使天線達到匹配從而增加天線帶寬。在以上只有空氣層的基礎上，在金屬貼片下面加一厚度為h的介質層，且為了方便L型探針彎折部分采用金屬片結構，其寬度為2mm，設計天線尺寸為Gw×Gl＝40mm×40mm，W×L＝22mm×22mm，H＝10mm，h＝2mm，Lh＝1.5mm，Lv＝10mm的帶介質層的L型探針饋電的微帶天線。利用MOM對其進行仿真計算并與HFSS軟件結果進行對比如圖7所示，可以看到通過采用L型探針饋電，天線帶寬得到了很好改善，能夠覆蓋3.2～4.4GHz頻段，可作為通信衛星的下行傳輸信號頻段，而如果采用直接探針饋電則很難使天線達到匹配。

圖7 帶介質層的L型探針饋電的微帶天線仿真結果

5 結束語

文中采用矩量法，對不同介質厚度的微帶天線進行了仿真分析，得到當介質厚度大于0.8λ0（λ0為天線的中心工作頻率對應波長）時，采用L型探針饋電可以有效增加天線帶寬，如果要求S11＜－10dB，相對帶寬可以達到30%以上?？梢奓型探針饋電是一種有效的饋電方式，有利于提高厚介質微帶天線的帶寬。文中同時分析了L型探針高度和臂長對天線性能的影響，得出可以通過判斷天線阻抗的容感性，適當調整Lv、Lh就使天線達到匹配，增加帶寬。在文中最后設計了一副頻率覆蓋3.2～4.4GHz的帶有介質層的L型探針饋電的微帶天線，可作為通信衛星的下行傳輸信號頻段。

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