1 引言

微帶天線，由于其重量輕，尺寸小的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛的使用在各種場合。然而，眾所周知，傳統(tǒng)微帶天線的帶寬很窄，只有大約5%左右，嚴(yán)重影響了微帶天線在寬帶領(lǐng)域的應(yīng)用。眾多學(xué)者為解決這個問題提出了很多有用的設(shè)計方案來提高微帶天線的帶寬。這些技術(shù)主要有：寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，疊層或平面結(jié)構(gòu)中的多諧振頻率技術(shù)，U型槽加載，容性探針饋電，和L型探針饋電，E型微帶貼片天線。帶V型槽的矩形微帶天線。

一般情況下，傳統(tǒng)的矩形微帶貼片天線的阻抗帶寬約為5%左右。然而,增加介質(zhì)底板的厚度, 可以一定程度上增加天線的阻抗帶寬。但是隨著饋電探針的增長，天線的饋電端口處的感性也會逐漸增大，從而造成端口處阻抗失配導(dǎo)致天線帶寬降低。如果在天線上刻槽則可以引入附加電容從而抵消探針加長的電感效應(yīng)，使得天線端口獲得良好的匹配。而且槽的存在還能夠產(chǎn)生另外一個諧振頻率，只要適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)槽的位置和長度，使得槽的諧振頻率接近天線的諧振頻率則可以進(jìn)一步增大天線的阻抗帶寬。

2 天線結(jié)構(gòu)

該天線的設(shè)計要求地板大小為1cm*1cm，帶寬要求>10％，中心頻率在9.6GHZ。結(jié)合微帶天線的知識我們知道：9.6GHZ的中心頻率對應(yīng)的真空波長為3.125cm，半波長則為1.5625cm。當(dāng)使用等效介電常數(shù)為2.5的襯底材料時,等效介質(zhì)中的半波長約為1cm。本文在u型微帶貼片的基礎(chǔ)上，取u型天線的一半來設(shè)計，即簡化了設(shè)計參數(shù)又減小了貼片天線的尺寸，天線帶寬在20%以上，貼片大小在1平方厘米以內(nèi)，探針饋電，中心頻率交叉極化-10 dBi左右，增益2dBi左右。天線的單元設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化均使用商業(yè)軟件ZELAND IE3D。微帶天線的襯底介質(zhì)e=2.5，介質(zhì)厚度h=2mm, 損耗角正切tans=0.0015。天線結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 半U型開槽微帶貼片天線實(shí)物圖

圖2 半U型開槽微帶貼片天線仿真S11

圖3 半U型開槽微帶貼片天線中心頻率方向圖

圖4 半U型開槽微帶貼片天線實(shí)測帶寬(25.5%)。

ψ=0

ψ=90

圖5 半U型開槽微帶貼片天線中心頻率實(shí)測方向圖

圖2為該天線結(jié)構(gòu)在商業(yè)軟件ZELAND IE3D中建模分析的阻抗特性曲線。從圖中可以看出天線電磁仿真的相對帶寬為24%。圖3為該天線結(jié)構(gòu)在商業(yè)軟件ZELAND IE3D中建模分析的中心頻率的遠(yuǎn)場輻射方向圖的結(jié)果。圖4為該天線的阻抗特性曲線，從圖中可以看出該天線的實(shí)測阻抗特性曲線形狀同圖2中有些區(qū)別，但是就整個帶寬范圍而言變化不大，估計產(chǎn)生原因應(yīng)該是仿真模型和實(shí)測模型在饋電部分的差異造成的，由于貼片結(jié)構(gòu)并無變化，所以個帶寬范圍并沒有較大變化。

實(shí)測的天線阻抗帶寬約為25.5%。圖5為該天線的實(shí)測中心頻率處的遠(yuǎn)場方向圖。同圖3的比較可以看出ZELAND IE3D的仿真結(jié)果較為平滑，圖5中的實(shí)測天線方向圖有稍微的波動，就其原因我們認(rèn)為是ZELAND IE3D的計算是基于GREEN函數(shù)的分層介質(zhì)模型，由于介質(zhì)沒有截斷，仿真得到的遠(yuǎn)場方向圖中沒有表面波在介質(zhì)截斷面處的輻射貢獻(xiàn)，所以得到的仿真方向圖結(jié)果較為平滑。而實(shí)測結(jié)果中既包含了天線本身的輻射又疊加了介質(zhì)截斷面處表面波的輻射，所以波瓣出現(xiàn)了稍微的波動，同時測量誤差也是造成波瓣出現(xiàn)了波動的原因之一。

3 結(jié)論

半U型槽的微帶貼片天線有25.5%的帶寬較傳統(tǒng)微帶天線的帶寬提高了5倍以上，并且在地板和天線尺寸幾乎相同的情況下天線增益達(dá)到了2dBi以上，且結(jié)構(gòu)上比較簡單，加工比較方便，是一種較好小型化寬頻帶天線形式。