微帶貼片天線的仿真與測量實驗設計

高博

摘要：本文以一種典型的微帶貼片天線教學為例，從理論、仿真設計以及實驗測試三方面對相關教學環節和步驟進行了詳細的介紹。理論設計部分重點介紹了設計貼片尺寸和進行阻抗匹配的方法。仿真環節介紹了模型、網格及收斂能量的設置。實驗環節簡要介紹了天線的簡易測量系統和測試結果。

關鍵詞：微帶天線；CST；天線測試

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）25-0274-02

一、概述

微帶貼片天線[1-2]，可以通過光刻腐蝕的方法制成。相比于常規的天線來說，其重量輕、體積小、剖面薄、制造成本低、易于大量生產，饋線和匹配網絡可與天線同時制作，有著極為廣泛的應用前景。因此在天線相關課程中，非常有必要設置以典型的矩形貼片天線設計為目標的教學實驗課程。本文將從基本原理、設計步驟及測量方法等方面對矩形貼片天線的實驗教學過程進行詳細介紹。

二、微帶矩形貼片天線理論設計步驟

貼片天線的理論設計步驟，可分為5步：第一步，基片選擇。①選擇低介電常數基板，可增強邊緣場，但波長的增加會導致天線尺寸增大；選擇高介電常數基片可使得天線尺寸減小，但也會造成其工作帶寬的降低；②介質基板較厚，可增大天線的帶寬和效率，但不能到激勵起高次模。介質基板的厚度需滿足第四步，饋電方式的選擇。微帶貼片天線常見的饋電方式有兩種，在這一步可以對兩種饋電方式的優缺點進行講解，并讓同學展開討論。微帶饋電，其由微帶線直接對貼片進行饋電。饋電點的位置可以進行偏移。饋電點位置發生變化（尤其是饋電點在貼片寬邊），其對應的輸入阻抗會發生較大變化，因此這也提供了一種阻抗匹配的方法。這種饋電方式最大的優點在于饋電導線與貼片處于同于平面，便于集成。同軸饋電，將同軸線的外導體焊接在微帶貼片天線的地板上，將內導體穿過介質基板焊接在貼片上。這種饋電方式的優點是很容易通過調整饋電位置實現阻抗匹配。缺點，同軸饋電陣列天線很有很多焊點，這會降低系統的可靠性，提升其制造難度。另外為了增加天線帶寬使用厚介質基片，會增長同軸探針的長度，從而引起探針輻射、表面波輻射等。第五步，阻抗匹配。不同饋電方式，阻抗匹配[3]的方法不同。同軸饋電，可通過調整饋電點在貼片上所處的位置來實現阻抗匹配。沿著貼片寬度方向變化時，其阻抗變化最為敏感。微帶線饋電，可調整其饋電點在貼片邊緣的位置，并且還可以通過在饋電點開槽的方式進行阻抗匹配。微帶矩形貼片天線仿真設計步驟：

由于理論計算近似較多，還需對各個參數進行優化設計。這里采用CST仿真軟件[4]，步驟如下：第一步，建立如圖1所示的微帶貼片模型。本例中采用了微帶線的中心饋電的方式，饋線阻抗選擇100歐姆，該值更便于以后的實驗課程中開展天線陣列的設計。第二步，調整開槽的長寬，觀察微帶貼片天線的輸入阻抗隨著槽的寬度和深度的變化情況。根據觀察到的規律，設置合適的槽寬和深度，使得此時微帶貼片天線的輸入阻抗的實部為100歐姆左右。注意：需要利用CST的自適應網格功能，以保證計算結果的精度。網格自適應前后諧振頻率會有一定偏差。收斂能量的設置，不會影響諧振位置，但阻抗實部峰值的大小會受到較大影響。第三步，由于理論計算采用了較多近似，并且加入了饋線和阻抗匹配開槽，此時貼片的諧振點必然會發生一定的偏移。因此需要對貼片的長度進行微調，使得天線諧振在適當的頻率點。第四步，調整完畢后，對于單個貼片天線來說，還需要將它的輸入阻抗變換到50歐姆。在這里可以讓同學嘗試使用不同的阻抗匹配方法。微帶矩形貼片天線的加工及測試：

圖2給出了測量實驗的基本配置圖，包括：標準天線、被測天線、天線測試轉臺和矢量網絡分析儀[5]。由于沒有在暗室中進行，因此測量存在較大誤差。但是作為學生實驗，測量結果仍然可以很好地反映微帶矩形貼片天線的特性，如圖3所示。

三、總結

本文以矩形微帶天線為例，詳細介紹了其在理論、仿真設計和測試實驗三方面的教學內容和注意事項。本文內容可以為天線類課程的實驗設計提供相應的參考。

參考文獻：

[1]Garg R.Microstrip Antenna Design Handbook[M].Microstrip antenna design handbook.Artech House，2001.

[2]鮑爾.微帶天線[M].北京：電子工業出版社，1984.

[3]David M.Pozar.微波工程[M].第3版.北京：電子工業出版社，2006.

[4]金明濤.CST天線仿真與工程設計[M].北京：電子工業出版社，2014.

[5]JoelP.Dunsmore，陳新.微波器件測量手冊：矢量網絡分析儀高級測量技術指南[M].北京：電子工業出版社，2014.