應(yīng)用于火災(zāi)探測的超寬帶共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)天線的設(shè)計*

晁躍川，胡少文，周輝林，吳毅強(qiáng)*

(1.新疆博州公安消防支隊，新疆博樂833400;2.南昌大學(xué)電子信息工程系，南昌330031)

目前，紅外火焰探測器主要是靠室內(nèi)紅外線的輻射強(qiáng)度的變化來探測是否發(fā)生火災(zāi)，這種探測器的缺點就是工作靈敏度與可靠性很容易受到火場和水蒸氣的影響。而光束感煙火探測器是利用煙霧對紅外線輻射的強(qiáng)度衰減效應(yīng)來被動地進(jìn)行火災(zāi)探測。能否找到一種不易受惡劣環(huán)境條件干擾的主動式火災(zāi)探測方式，已經(jīng)成為當(dāng)今研究的熱點。而微波輻射具有良好的穿透性，且不易受惡劣環(huán)境的影響。因此將微波技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代火災(zāi)探測將會是非常好的選擇。然而微波技術(shù)應(yīng)用于火災(zāi)探測的關(guān)鍵是要選擇一副很好的探測天線。筆者主要是研究應(yīng)用于火災(zāi)探測的超寬帶天線。

隨著無線通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，小型化超寬帶天線吸引了國內(nèi)外許多研究者的廣泛關(guān)注。微帶共面波導(dǎo)饋電天線是由微帶天線演變而來，由于具有尺寸小、頻帶寬、質(zhì)量輕且易于加工與集成，其優(yōu)越性在科研與實踐中備受青睞，為了實現(xiàn)天線寬頻帶性能，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種多樣的天線結(jié)構(gòu):U槽貼片天線，陣列結(jié)構(gòu)，單極子天線等被廣泛應(yīng)用于UWB通信，但是目前這些天線都有不足之處。文獻(xiàn)［1］設(shè)計的天線采用的是共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將圓弧形與等腰梯形相結(jié)合的方式對接地板進(jìn)行開槽實現(xiàn)帶寬(VSWR ＜2)為3.1 GHz～10.6 GHz，文獻(xiàn)［2］設(shè)計的天線采用的是對稱雙梯形開縫微帶結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，其尺寸較小，但是工作頻率為5.6 GHz～11.3 GHz，文獻(xiàn)［3］設(shè)計的天線通過在微帶貼片上開圓環(huán)改變電流分布實現(xiàn)超寬帶，但其相對帶寬只有72.4%;綜合以上考慮，筆者在共面波導(dǎo)接地面上刻蝕了一種新穎的對稱結(jié)構(gòu)的多邊形槽，設(shè)計一種能滿足超寬帶無線通信的小型化超寬帶天線，便于和微波射頻電路集成，利用高頻電磁仿真軟件HFSS對所設(shè)計的天線進(jìn)行建模仿真優(yōu)化，并利用實驗室的設(shè)備制作了天線實物，通過用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試其所設(shè)計的天線，表明采用對稱多邊形槽可以很好地增加天線的阻抗帶寬。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的天線的基本幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，該天線印刷在覆銅介質(zhì)基板上，介質(zhì)基板尺寸為18 mm×28.5 mm，厚度為d=1.6 mm，材料為介電常數(shù)εr=4.4的FR4，微帶貼片、饋電與接地面被印刷在同一個平面上，容易集成化加工。輻射單元為一個大矩形貼片加一個小矩形貼片。采用的是共面波導(dǎo)饋電方式，接地面位于微帶傳輸線的兩側(cè)，形成對稱的階梯型，在設(shè)計時需要考慮微帶饋線輸入阻抗匹配問題，采用共面波導(dǎo)微帶饋電時，首先要計算微帶的寬度、長度及與接地面之間的縫隙寬度，可以直接通過理論公式推導(dǎo)［8-11］，也可以利用現(xiàn)有的計算軟件，只需要將基板的介電常數(shù)εr、損耗角tanσ、電導(dǎo)率δ、厚度d及需要仿真的頻率f，如確定需要的微帶長度，就可以通過工具軟件計算出微帶饋電的寬度Wf及與接地面之間的縫隙寬度W3，影響天線輻射性能的因素［12-14］有好多，主要是由輻射貼片的尺寸和幾何形狀、縫隙的尺寸決定，通過在HFSS軟件中建立模型，對天線幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化來得到最佳尺寸。表1為經(jīng)過優(yōu)化后的最佳設(shè)計尺寸。

圖1 共面波導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)

表1 天線尺寸

2 天線的優(yōu)化與仿真

為了保證設(shè)計的有效性和實用性，需要考慮介質(zhì)基板的厚度和有限地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，天線的饋電結(jié)構(gòu)主要由式(1)～式(4)計算得出。

式(1)～式(4)主要是用在有限地的共面波導(dǎo)饋電阻抗的計算，式中h、εr、εeff、W、Wf、W3分別為介質(zhì)基板的厚度、基板相對介電常數(shù)、基板有效介電常數(shù)、基板的寬度、共面波導(dǎo)饋電線的寬度、共面波導(dǎo)饋電線與地面之間的間隙。K(m)、K(n)、K'(m)、K'(n)為第一類完全橢圓積分函數(shù)和其補(bǔ)函數(shù)。利用以上公式可以計算出共面波導(dǎo)的信號帶線的寬度Wf和縫隙寬度W3。

天線的性能主要由多邊形槽和輻射貼片決定，通過仿真優(yōu)化得到槽、貼片的最佳尺寸在HFSS中建立模型，最后制作實物天線和測試，從測試結(jié)果可以看出，所設(shè)計的天線能很好地滿足超寬帶應(yīng)用的需求，同時證明了利用共面波導(dǎo)技術(shù)和地缺結(jié)構(gòu)能夠有效地展寬天線的阻抗帶寬。

通過對輻射單元的長度L3的優(yōu)化，輻射單元尺寸對天線阻抗帶寬的特性影響如圖2所示，當(dāng)輻射單元較小時，其天線輻射的能量相對較小，因此天線的阻抗帶寬相對較小，隨著天線輻射單元的增大，天線的阻抗帶寬增加。但是當(dāng)天線的輻射單元增加到一定的時候，天線的阻抗帶寬反而減小，主要是由于天線的輻射單元和共面波導(dǎo)接地面之間的耦合電容發(fā)生變化，引起其電流的分布發(fā)生了變化，從而引起天線阻抗帶寬變窄。

從圖3可以看出，隨著對稱多邊形槽的長度的增大，天線的阻抗帶寬特性變好，是因為多邊形槽的增大使得天線的輻射單元與共面波導(dǎo)接地面直接的電容耦合降低，減小兩者之間因激勵引起的諧振，從而使天線的阻抗帶寬特性變好。

圖2 貼片對S11的影響

圖3 槽對S11的影響

所設(shè)計的天線在實現(xiàn)阻抗超寬帶性能的同時，也具有比較好的輻射方向圖和增益。圖4(a)、(b)所示為所設(shè)計的天線在4.0，8.0和12.0 GHz下的仿真輻射方向圖，仿真增益如圖4(c)所示，在3.4 GHz～17.4 GHz的頻帶內(nèi)，最高增益可以達(dá)到17 dB，比一般的微帶天線的增益效果要好很多，這種天線可用做收發(fā)天線。

圖4 天線的輻射方向圖和增益圖

表2為所設(shè)計的天線與參考文獻(xiàn)［4-7］中各天線相對應(yīng)的參數(shù)，通過比較可以發(fā)現(xiàn)所設(shè)計的天線在阻抗帶寬、增益和天線尺寸上都有明顯的優(yōu)勢，說明通過采用共面波導(dǎo)饋電和刻蝕對稱多邊形槽結(jié)構(gòu)能夠很好地增加天線的阻抗帶寬。

表2 天線參數(shù)比較

3 實測結(jié)果

圖5所示為該設(shè)計天線的加工實物圖，圖6為天線回波損耗S11的實際測量值，實測的頻帶寬度為3.4 GHz～17.4 GHz，回波損耗曲線在頻帶范圍內(nèi)基本處于-10 dB以下，與仿真圖能夠很好地吻合，天線的實測結(jié)果與仿真值稍有些偏差，主要是由實驗室加工制作工藝的誤差所引起，此外射頻SMA接頭以及焊錫的散射效應(yīng)也會對回波損耗產(chǎn)生影響。該天線具有較好的效能指標(biāo)，能夠滿足無線通信的要求。

圖5 天線實物圖

圖6 S11的實測值

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)簡單的應(yīng)用在火災(zāi)探測的共面波導(dǎo)饋電超寬帶天線，利用共面波導(dǎo)技術(shù)和缺陷地結(jié)構(gòu)有利于改善傳統(tǒng)微帶天線的頻帶窄、體積大等缺點，通過對天線參數(shù)的優(yōu)化，所設(shè)計的對稱結(jié)構(gòu)共面波導(dǎo)饋電天線可以工作在3.4 GHz～17.4 GHz的頻帶范圍內(nèi)。該天線結(jié)構(gòu)簡單、易于加工制作，且具有穩(wěn)定的輻射特性和增益，滿足目前超寬帶通信需求。

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