基于寬縫結(jié)構(gòu)的超寬帶天線設(shè)計

冀敏 代金鳳 廉亞囡 昌厚峰

摘要：改進(jìn)了一種基于寬縫微帶天線結(jié)構(gòu)的超寬帶天線，設(shè)計了矩形微帶饋電的階梯狀寬縫天線，主要研究了縫隙的形狀以及用于饋電的距離對天線帶寬的影響，實(shí)測結(jié)果表明天線具有更寬的阻抗帶寬和良好的輻射性能，該天線具有約為120%的阻抗帶寬（S11≦-10dB） 覆蓋了3.95～17.1GHz頻率范圍，仿真結(jié)果與理論結(jié)果相符，非常適合應(yīng)用于目前的超寬帶無線通信系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：寬縫微帶天線；矩形貼片；超寬帶；阻抗帶寬

中圖分類號：TP399? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）34-0077-05

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1 引言

近年來，隨著無線通信技術(shù)的不斷迅速發(fā)展，特別是超寬帶（UWB） 通信技術(shù)的出現(xiàn)，系統(tǒng)對通信中不可或缺的部件天線提出了越來越高的要求。微帶天線因?yàn)槠渲亓枯p、剖面薄、造價低、易于共形以及能方便有源電路集成等優(yōu)點(diǎn)[1]，越來越受到廣大天線工作者的青睞?？p隙天線一般用于微波波段的雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對抗和通信等設(shè)備中，并因能制成共形結(jié)構(gòu)而特別適宜于用在高速飛行器上。

在導(dǎo)體面上開縫形成的天線，稱為縫隙天線，也叫開槽天線。典型的縫隙形狀是長條形，長度約為半個波長。縫隙可用跨接在它窄邊上的傳輸線饋電，也可由波導(dǎo)或諧振腔饋電。這時，縫隙上激勵有射頻電磁場，并向空間輻射電磁波。利用多個縫隙可構(gòu)成縫隙陣?？p隙陣有兩類：諧振陣和非諧振陣。諧振陣中各縫隙是同相激勵的；非諧振陣中各縫隙有一定相位差，因而其最大輻射方向不是在陣的法線方向，而是與法線成一角度。非諧振陣的優(yōu)點(diǎn)是頻帶較寬。通常按照縫隙的大小，縫隙天線可以分為窄縫和寬縫兩種結(jié)構(gòu)。由于縫隙本身的電抗有影響，通常窄縫天線的阻抗帶寬比較窄，而采用寬縫結(jié)構(gòu)則可以獲得較寬的工作帶寬。通過選擇合適的基板、改變天線的形狀尺寸、采用各種饋電技術(shù)、阻抗匹配技術(shù)等，可以有效展寬頻帶。

針對上面的不足，本文對其進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計一種矩形微帶饋電的階梯狀寬縫天線，由于采用的是低損耗介電常數(shù)的基板材料，所以保證了天線能有較高的效率，而且天線的面積也大大減小，適用于小型的、便于攜帶的無線電通信設(shè)備。作為微帶天線一種的微帶寬縫天線，阻抗匹配帶寬要比諧振式貼片天線要寬，并且對制造公差要求比貼片天線低，在組陣時其單元間隔離可比貼片天線更大。

2 理論分析

2.1 基本原理

無限大和無限薄的理想導(dǎo)電平面上的縫隙稱為理想縫隙。理想縫隙上的電場與縫隙的長邊垂直，其振幅在縫隙的兩端下降為零。這一電場分布與具有相同尺寸的導(dǎo)體振子（稱為互補(bǔ)振子）上的磁場分布（即電流分布）完全一樣。根據(jù)電磁場的對偶性可知，理想縫隙所輻射的電磁場與互補(bǔ)振子產(chǎn)生的電磁場具有相同的結(jié)構(gòu)，只是振子的電場矢量對應(yīng)于縫隙的磁場矢量，振子的磁場矢量對應(yīng)于縫隙的電場矢量而已。因此，縫隙在yz平面內(nèi)的方向圖為8字形，而在xy平面內(nèi)的方向圖為圓形。理想縫隙的輸入阻抗與互補(bǔ)振子的輸入阻抗之積為z0/4，z0為周圍媒質(zhì)的波阻抗。對于有限導(dǎo)體平面或曲面上的實(shí)際縫隙，只要導(dǎo)體面尺寸比波長大得多，特別是縫隙窄邊方向的尺寸較大，曲率較小，則其基本特性便近似于理想縫隙。

當(dāng)縫隙寬度與縫隙長度可比擬時，稱為寬縫，具有頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)。縫隙天線的帶寬和縫隙的形狀大小有很大的關(guān)系，使用寬矩形縫隙時，縫隙的長寬比對天線的帶寬有很大的影響，橢圓縫隙的長短軸比對帶寬的影響較大。

縫隙天線是一種基本的天線形式，是在金屬上刻槽，采用同軸線、微帶線、波導(dǎo)等方法進(jìn)行激勵，從而產(chǎn)生輻射。它具有微帶天線輪廓低、加工簡單和易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。但一般比微帶天線具有更寬的帶寬。寬帶印刷天線主要分為三類[2]：漸變印刷開槽天線、微帶饋線印刷縫隙天線和共面波導(dǎo)饋電印刷縫隙天線。傳統(tǒng)的微帶饋電印刷縫隙天線是介質(zhì)板的一個金屬面上開一個窄縫隙，在介質(zhì)板的另一面通過開路或短路的微帶饋源對縫進(jìn)行耦合激勵，但這種印刷窄縫天線一般只有5%～7%的駐波比帶寬。近年來研究人員發(fā)現(xiàn)寬縫隙結(jié)構(gòu)具有更寬的駐波比帶寬，已經(jīng)提出了用各種不同形式的寬縫和饋源結(jié)構(gòu)結(jié)合來展寬天線的駐波比帶寬。共面波導(dǎo)是一種平面?zhèn)鬏斁€，易于和其他電路或器件集成，通常應(yīng)用在微波集成電路或微波單片集成電路中。采用共面波導(dǎo)饋電的寬縫天線結(jié)構(gòu)簡單、可以與其他電路集成，因此這種形式天線的研究到了更多的關(guān)注。

天線工作者對寬縫天線進(jìn)行了大量的研究，通過改變其縫隙形狀和利用不同的饋源結(jié)構(gòu)相結(jié)合來展寬阻抗帶寬，實(shí)現(xiàn)超寬帶特性。對于接地板上只有一個矩形寬縫隙的寬縫天線來說，當(dāng)將其矩形寬縫的長寬比例調(diào)節(jié)到一定的比值時，則對應(yīng)著的一定的阻抗帶寬和中心頻率，當(dāng)調(diào)節(jié)矩形寬縫的長寬比時，天線的阻抗帶寬和中心頻率也會隨著發(fā)生變化。利用矩形寬縫天線的阻抗帶寬和中心頻率會隨著寬縫的長寬比變化的這一特性，就可以在單一矩形寬縫的基礎(chǔ)上，再增加兩個矩形寬縫，成為3個矩形寬縫疊加的階梯形結(jié)構(gòu)，這樣由原來只有1組可供調(diào)節(jié)的長寬比變?yōu)橛?組可供調(diào)節(jié)的長寬比，可供調(diào)節(jié)的變量數(shù)增加，一方面增加了設(shè)計的靈活性，但同時也增加了調(diào)節(jié)的難度，因?yàn)榭烧{(diào)的變量增多。每1組長寬比都對應(yīng)著不同的阻抗帶寬和中心頻帶，當(dāng)3組長寬比同時調(diào)節(jié)到某一最優(yōu)值時，就實(shí)現(xiàn)了一具有超寬帶性能的階梯形寬縫天線。此外還有一些其他的技術(shù)發(fā)展超寬帶天線的阻抗帶寬如文獻(xiàn)[3]把偏饋技術(shù)應(yīng)用在平面寬縫天線的設(shè)計中，使饋源矩形支節(jié)中心偏離微帶饋線，取得了不錯的效果，-10dB帶寬頻率范圍為從3.95～17GHz。綜上所述，超寬帶寬縫天線的工作原理可以解釋為：寬縫和饋電支節(jié)相結(jié)合產(chǎn)生多個諧振模式，多個相鄰的諧振模式相重疊就使天線具有超寬阻抗帶寬。

2.2 寬縫結(jié)構(gòu)超寬帶天線的特性分析

在設(shè)計這一類的超寬帶天線時就只要考慮兩個因素即可。首先，饋電貼片的形狀和寬縫的形狀可以盡可能地相似，饋電貼片的形狀是矩形，則寬縫的形狀考慮用矩形、正方形、階梯形等；如果饋電貼片是橢圓形的，則可以考慮用圓形、半圓形、橢圓形等。其次，是饋電貼片邊緣與寬縫邊緣間的距離，它對天線的阻抗匹配影響尤為顯著。通過加強(qiáng)饋電部分與寬縫之間的耦合可以增加阻抗帶寬。當(dāng)兩者之間的耦合增加到某一數(shù)值時，可以獲得最佳的阻抗匹配帶寬，然而當(dāng)耦合增加到超過這一定值時，阻抗匹配的情況反而會惡化，這說明過度耦合如同耦合不足一樣，都不利于提高寬縫天線的阻抗帶寬。上訴兩個因素都是通過調(diào)節(jié)饋電貼片與接地板上寬縫間的電磁耦合，以此來拓展寬縫天線的阻抗帶寬的。

2.3 性能指標(biāo)

2.3.1 天線阻抗帶寬

天線是電路與空間的界面器件，主要完成導(dǎo)行波與空間電波能量之間的轉(zhuǎn)換。為了有效地完成這種能量轉(zhuǎn)換，要求天線與它的源或負(fù)載匹配[4]。在工程上一般用反射損耗和電壓駐波系數(shù)來表示天線端口與傳輸線的不匹配程度，它們的大小直接由反射系數(shù)來確定。無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們是在一定的頻率范圍內(nèi)工作的，因?yàn)樘炀€輻射不同頻率的電磁波，其等效阻抗不同。帶寬是指反射損耗或駐波系數(shù)小于一定的數(shù)值的頻帶寬度[5]。

2.3.2 天線輻射方向圖

為了有效地利用信息能量，保證信息傳遞質(zhì)，要求發(fā)射天線盡可能只向需要的方向輻射電磁波[6]，接收天線也只接收指定方向的來波，盡量減少其他方向的干擾和噪聲。人們把天線的這種輻射或接收電磁波能量與方向有關(guān)的性能稱為天線的方向性。不同的無線通信系統(tǒng)要求天線的方向特性是不同的。如人們使用手機(jī)進(jìn)行通信，則要求手機(jī)天線具有全向輻射 和接收特性。然而在衛(wèi)星通信中，衛(wèi)星接收設(shè)備是安裝在固定的地點(diǎn)并且接收已知方位的弱衛(wèi)星信號，所以天線輻射的指向性越強(qiáng)越好。

3 天線的結(jié)構(gòu)與設(shè)計仿真

3.1 天線的結(jié)構(gòu)

如圖1、圖2所示，天線制作在介電常數(shù)為2.65的基板材料上，基板的厚度為2.4mm。選用這種基板材料原因一是損耗較小，二是材料輕薄，便于在實(shí)際中生產(chǎn)。此天線可以看成3個矩形縫隙的疊加。L1為寬縫矩形的長， tl為寬縫矩形的寬 ，L2為中間寬縫矩形的長 ，rl為中間寬縫矩形的寬，L3為最小的寬縫矩形的長，sl為最小寬縫矩形的寬，L4為矩形貼片的長，W4為矩形貼片的寬，Wf為饋線的寬。不同的寬縫形狀和饋電支節(jié)都會影響它們之間的電磁耦合，繼而改變天線輸入端的阻抗匹配。

根據(jù)仿真優(yōu)化確定天線的尺寸如下：L1=104mm tl=40mm L2=60mm rl=40mm L3=40mm sl=30mm L4=160mm W4=60mm Wf=3.7mm L=60mm。

3.2 運(yùn)行結(jié)果

1）天線阻抗帶寬

從圖2中可以看出矩形微帶饋電階梯形寬縫的阻抗帶寬14.95GHz，雖然個別頻點(diǎn)出現(xiàn)了尖刺。

2）天線輻射方向圖

天線輻射方向如圖3所示，寬縫天線具有阻抗帶寬相對較寬的特性，但是其工作帶寬卻受限于其方向圖帶寬。因?yàn)樵谧杩箮挼母哳l段，容易出現(xiàn)方向性圖惡化的現(xiàn)象。通過對不同寬縫結(jié)構(gòu)的研究表明，寬縫邊沿電流的流動將增大H面的交叉極化電平，并導(dǎo)致E面的主波束偏離最大方向[6]。

3.3 理論分析與參數(shù)估算

將設(shè)計出的基于寬縫結(jié)構(gòu)的超寬帶天線進(jìn)行仿真，本文分別研究了縫隙的形狀、縫隙矩形的長L1、縫隙矩形1的寬tl、縫隙矩形2的寬rl、縫隙矩形3的寬sl對天線性能的影響，將同一參數(shù)提不同取值的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.3.1 縫隙形狀的變化對天線性能的影響

如圖4所示，縫隙的形狀對天線的性能有影響，縫隙只有一個矩形的最低頻率為3.85GHz，最高頻率為14.35GHz，凈帶寬為10.5GHz而階梯形的縫隙最低頻率為2.15GHz，最高頻率為17.1GHz更能展寬帶寬。

3.3.2 參數(shù)縫隙矩形的長（L1） 變化對天線性能的影響

tl=40mm L2=60mm rl=40mm? L3=40mm sl=30mm L4=160mm W4=60mm Wf=3.7mm L=60mm 時對天線在不同的L1 值時進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。

結(jié)果表明：縫隙的長對天線的阻抗帶寬有影響，對最低截止頻率的影響較大，L1越大，最低截止頻率越小，對最高截止頻率的影響不大，L1為104mm時的凈帶寬最大，如表1所示。

3.3.3 參數(shù)縫隙矩形1的寬（tl） 變化對天線性能的影響

L1=104mm L2=60mm rl=40mm? ?L3=40mm sl=30mm L4=160mm W4=60mm Wf=3.7mm L=60mm 時對天線在不同的tl值時進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示。

結(jié)果表明：矩形1的寬（tl）對天線的阻抗帶寬有影響，tl為40mm時的最低截止頻率最小，變大或變小都會增大，最高截止頻率40mm時的最大，凈帶寬最大，如表2所示。

3.3.4 參數(shù)縫隙矩形2的寬（rl） 變化對天線性能的影響

L1=104mm? ?tl=40mm? ?L2=60mm? L3= 40mm? sl=30mm? ?L4=160mm? W4=60mm? ?Wf=3.7mm? L=60mm 時對天線在不同的rl值時進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示。

結(jié)果表明：矩形3的寬（rl）對天線的阻抗帶寬有影響，rl為40mm時的最低截止頻率最小，變大或變小都會增大，最高截止頻率40mm時的最大，凈帶寬最大，如表3所示。

3.3.5 參數(shù)縫隙矩形3的寬（sl） 變化對天線性能的影響

L1=104mm tl=40mm? L2=60mm? L3= 40mm? rl=40mm? ?L4=160mm? W4=60mm? ?Wf=3.7mm? L=60mm 時對天線在不同的sl值時進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8所示。

結(jié)果表明：矩形3的寬（sl）對天線的阻抗帶寬有影響，sl為30mm時的最低截止頻率最小，變大或變小都會增大，最高截止頻率30mm時的最大，凈帶寬最大，如表4所示。

4 結(jié)束語

本設(shè)計系統(tǒng)地研究了超寬帶天線的特性，獲得了一種設(shè)計超寬帶天線的重要方法。對天線的設(shè)計領(lǐng)域進(jìn)行了一定拓展，設(shè)計出了一種寬縫結(jié)構(gòu)的超寬帶天線。在建模分析的基礎(chǔ)上，使用HFSS仿真了超寬帶天線模型，并根據(jù)仿真的結(jié)果對參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到較好的仿真結(jié)果。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】