帶空氣層的寬帶微帶天線的分析與設(shè)計

1引言

微帶天線，作為20世紀(jì)70年代研究成功的一種新型天線，以其結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、低剖面、易于與飛行器表面共形安裝和可與微帶電路集成等優(yōu)點(diǎn)，在移動通信、航空航天、電子對抗及雷達(dá)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但微帶天線也因其增益低、頻帶窄（通常帶寬只有（0.7%—7%）等缺陷限制了它的應(yīng)用范圍。隨著軍事通信、移動通信中跳頻、擴(kuò)頻通信技術(shù)的發(fā)展，要求天線在瞬時頻率上寬帶化顯得越來越迫切，特別是我國目前處于2G-3G的過渡階段，移動通信用戶的急劇增長，使得通信系統(tǒng)不斷更新和擴(kuò)容。為減小無線通信中的干擾并降低成本，要求天線在寬頻帶內(nèi)工作。因此，微帶天線的寬頻帶技術(shù)的研究已經(jīng)成為一個迫切的研究課題。

目前，微帶天線的寬頻帶技術(shù)主要有：增加介質(zhì)基片厚度，減小介質(zhì)介電常數(shù)；修改等效電路，如附加寄生貼片、采用電磁耦合饋電等；附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；改變輻射板形狀，如采用分形結(jié)構(gòu)或曲邊結(jié)構(gòu)等Chang,Long和Richards等人通過實(shí)驗(yàn)用增加基片厚度的方法得到了20%的天線工作頻帶寬度。Purchine,Aberie和Birtcher等人把微帶天線看成是一個諧振電路，在微帶天線的輻射板和接地板之間并接一個變?nèi)荻O管，用微處理器控制改變加到變?nèi)荻O管上的反向偏壓，應(yīng)用調(diào)諧方法可以在1.55GHz—1.93GHz（相當(dāng)于22%）的頻帶寬度上連續(xù)工作。An.Nanwelaers和Capelle在微帶天線輸入端與微帶線饋線之間加一個電抗匹配網(wǎng)絡(luò)，可以得到16.82%的天線工作頻帶。FangYang和XueXiaZhang等人采用E形貼片天線在無線通信頻率范圍內(nèi)的帶寬可以達(dá)到30.3%。

由此可見，展寬微帶天線的帶寬已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但上面的方法也存在不足。如采用厚基片的微帶天線會造成表面波效應(yīng)明顯增加，且天線的體積及重量也會隨之增大；采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)或是通過修改等效電路的方法則會帶來理論上分析的復(fù)雜性和天線制作困難等問題；此外，通過改變輻射板形狀的方法會對天線制造公差提出更高的要求?；谝陨戏治?，本文采用引入空氣層的方法有效地展寬了天線的工作頻段，天線在整個工作頻帶內(nèi)具有良好的輻射特性，且該天線的結(jié)構(gòu)簡單，易于制作。

2設(shè)計原理

本文擬設(shè)計的雙頻微帶天線工作于S波段（2.0GHz—4.0GHz）的頻率范圍內(nèi)，其設(shè)計指標(biāo)為：

（1）工作中心頻率3.0GHz：

（2）駐波比VSWR≤2.0；

（3）天線相對帶寬BW≥10%在普通矩形微帶天線的設(shè)計中，可以根據(jù)所要求的帶寬及增益，來確定介質(zhì)板的材料及厚度。一般可以給根據(jù)天線所工作的中心頻率，由以下兩式求出輻射片的尺寸：

，（1）

，（2）

（3）

其中W和L分別為輻射單元的寬度和長度，為線伸長量，為介質(zhì)等效介電常數(shù)。

由于本文采用帶空氣層的雙層微帶天線，故可以通過腔模理論計算出介質(zhì)層的等效介電常數(shù)公式如下：

，（4）

其中為空氣層厚度，為介質(zhì)層厚度，為介質(zhì)介電常數(shù)。

當(dāng)時，微帶天線的帶寬的經(jīng)驗(yàn)公式可以表示為：

，（5）

其中為中心頻率，為介質(zhì)基板厚度。

為了獲得寬頻特性，應(yīng)該采用介電常數(shù)相對較小的介質(zhì)作為基板。此處我們所采用的介質(zhì)為RogersRT/duroid5880（相對介電常數(shù)，損耗角正切）。從理論上來說，接地板可以視為無限大，然而在實(shí)際工程設(shè)計中，考慮到天線安裝尺寸、重量及其成本方面的諸多因素，接地板尺寸應(yīng)盡可能的小。在實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)?shù)匕鍖挾葷M足時，即可將地板視為無限大。