微帶天線時域有限差分法分析

2015-03-07 02:26:34武警工程大學研究生管理大隊王懷強

電子世界 2015年20期

武警工程大學研究生管理大隊王懷強

微帶天線時域有限差分法分析

武警工程大學研究生管理大隊王懷強

【摘要】本文闡述了微帶天線的優缺點，分析了微帶天線的饋電方式。基于FDTD算法對微帶印制天線進行建模，并對其進行了FDTD分析計算，得到E型微帶天線的S11參數，分析了計算結果。

【關鍵詞】微帶天線；FDTD；建模計算

0　引言

近年來，小型化技術逐漸成為天線設計的熱點，天線的小型化是指在滿足天線駐波比、增益、帶寬等性能前提下，盡可能地縮小天線的尺寸，達到小型化的目的。但是，天線的性能往往取決于天線的尺寸大小，改變天線的尺寸對天線性能的影響是顯而易見的，所以天線的小型化技術式當今天線設計的一個難點。微帶天線的出現是小型化技術發展的方向，它具有剖面低，易制作，容易與載體達到共形等特點。通過對微帶天線的結構進行改造，可以改變天線的工作電流分布，進而改變天線的性能

1　微帶天線理論

微帶天線的基本結構是在介質基板的正反面各鍍一層金屬薄片，采用腐蝕光刻等方法在一面金屬薄片上進行開槽處一定形狀，另一面金屬薄片作為天線的地板。微帶天線通常的饋電方式有同軸饋電和微帶線饋電。

1.1微帶天線優缺點[1]

微帶天線具有低剖面、體積小，易與載體進行共形的特點，因此在飛行器、導彈等裝備上應用較為廣泛，相對于傳統的線面天線，微帶天線具有以下優點

(1) 低剖面、體積小，易與載體進行共形，不影響載體的基本結構，可內化于載體內部

(2)天線的性能參數易于設計，能滿足不同載體和工作環境需求

(3)易于集成，節省空間，降低成本

其存在的缺點主要有：

(1)微帶天線是窄帶器件，難于做到寬頻帶，難于實現寬頻帶跳頻通信。通過增大介質基板的厚度或者是采用高介電常數的介質基板可適當增寬天線的帶寬。

(2)介質基板的損耗大，天線的輻射效率不高，而且受天線的性能受熱效應影響大。

(3)微帶天線的體積小，功率小，因此增益一般都比較低，而且最大增益實際上受限制（約為20dB）。

(4)介質基板的厚度和材質難于做到均勻分布，因此相同材料制作的微帶天線的性能可能會有較大的性能差距，因此微帶天線的組陣較為困難。

(5)天線的饋線與輻射體之間存在距離，可能存在表面波。

1.2微帶天線饋電基本方式

總體而言，微帶天線有三種饋電方式[2]：(1)同軸饋電；(2)微帶線饋電；(3)電磁耦合饋電。其中，由于微帶線饋電是將饋線與金屬進行共面蝕刻，因此制作工藝較為簡單，易與載體達到良好共形，同時，微帶線也會起到輻射的作用，從而影響天線駐波，增益等。通常，微帶線的寬度W應該滿足W<<λ的條件，特性阻抗不能過低，以及介質厚度h不能過厚，介電常數不能過小。通過調整饋電點的位置，可以實現天線輸入阻抗與饋線特性阻抗的匹配。饋電點在金屬貼片上進行移動時，對天線的特性阻抗影響很大，如圖1所示：

圖1　天線輸入阻抗隨饋電位置的變化

2　微帶印制天線的FDTD建模

時域有限差分法尤其適合計算天線及其他結構的寬帶特性，能對天線的結構進行精確的模擬，同時能模擬出天線系統所處的環境，并且只需一次計算便可得到天線的頻域特性[3]。FDTD算法計算天線的輸入阻抗的方法有三種：(1)通過饋線特性阻抗計算出散射系數，進而求出天線的輸入阻抗；(2)利用FDTD網格剖分法模擬出饋電點的結構；(3)用δ－源激勵模型法或同軸磁流環激勵模型通過傅立葉變換，得到電壓和電流的值，進而計算出天線的輸入阻抗。其中利用FDTD網格法計算的結果最為精確。第一種是應用微波電路的分析計算理論，計算過程較為復雜；第三種方法則較為簡單，但是對天線饋源的場的分布的模擬精確度較差。本文采用FDTD網格剖分技術模擬天線饋電的結構。

假定在同軸線內的電磁波是TEM波，通過傳輸線理論分析，同軸線等效稱為一維傳輸線模型，同軸線口徑上的場與外面的場相互產生耦合。因此，同軸線中電壓和電流的關系如下所示[4]：

式中a和b分別為同軸線內、外半徑。再由TEM波滿足方程：

為了計算出諧振中心頻率，通常采用高斯脈沖作為激勵源，通過傅里葉變換，可以計算出上述天線參數的寬頻特征。在計算天線的方向圖時，通常采用正弦波作為激勵源，可以減少計算機的計算量。本文中，采用正弦調制高斯激勵脈沖作為激勵源，如下所示：

同軸饋電天線的FDTD網格劃分如圖2所示。

3　E形微帶天線結構及其FDTD分析

圖3為本文設計的E形微帶天線的結構，天線的長為L、寬為W、高為h。在天線的金屬貼片上蝕刻兩個平行槽，長為1，寬為W，從而拓展了天線的帶寬，縮小了天線的尺寸。本文在分析時假定天線長為70mm，寬為10mm，印制在介電常數為2.1厚為10mm的介質板上。兩個矩形槽的作用是在原來天線的結構上，額外增加了一個LC諧振電路結構，因此，天線工作出現了兩個諧振頻率，當諧振頻點接近或無縫連接時，天線的帶寬就被展寬了。文中的天線采用同軸饋電方式，饋電點位于兩個開槽的中間。金屬貼片中心至兩個開槽的距離為p。改變開槽的長度、寬度及ps可以改變天線的諧振頻率，進而改變天線的帶寬。