1 引言

從微帶縫隙天線的概念被提出以來,由于它剖面薄、重量輕、可與載體共形、易與有源器件集成等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于航空、航天器通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域。另一方面，隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，希望個(gè)人通信中的天線具備寬帶低輪廓特點(diǎn)，以使天線可以與建筑內(nèi)的裝飾物相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)所謂的“美化天線”的要求，在此方面，低輪廓的縫隙天線也有應(yīng)用空間。為實(shí)現(xiàn)微帶縫隙天線的單向輻射，一般需采用半波長高度的背腔來實(shí)現(xiàn)。近年來的工作提供了一些有效的降低背腔尺寸的方法，例如采用介質(zhì)加載或電磁帶隙結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)則給出一種超低尺寸的背腔結(jié)構(gòu)的微帶縫隙天線，其背腔高度僅為約0.025波長。在縫隙天線的寬帶化方面，也有許多引人矚目的工作。

本文在上述工作的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的天線結(jié)構(gòu)，即在所訴及的超低尺寸背腔縫隙天線上部加入開窗的金屬貼片，從而進(jìn)一步控制天線的帶寬、方向圖與增益，實(shí)現(xiàn)了寬帶高增益設(shè)計(jì)。

2天線結(jié)構(gòu)

天線結(jié)構(gòu)如下圖1所示，天線制作在相對介電常數(shù)為2.55厚度為1mm的聚四氟乙烯介質(zhì)基片上。在介質(zhì)基片一面的金屬板上開一縫隙，另一面采用50歐姆微帶線饋電，微帶線在縫隙處通過過孔與開縫金屬板短路。開縫面下方為背腔結(jié)構(gòu)，而在饋電面上部加上一開窗的金屬貼片。背腔內(nèi)、開窗金屬片與介質(zhì)基片之間均無介質(zhì)填充。

圖1天線結(jié)構(gòu)俯視與前視圖

設(shè)計(jì)中，通過調(diào)整各參數(shù)可以獲得需要的方向圖特性與阻抗特性。在各個(gè)參數(shù)中，背腔的長度Ca、開窗貼片的長度a這兩個(gè)參數(shù)對天線特性影響較小，可事先選定。選取準(zhǔn)則為Ca約為最低頻率對應(yīng)的波長，而開窗貼片長度a可充分覆蓋縫隙即可。

3設(shè)計(jì)與仿真

使用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS可以對上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，可首先根據(jù)文獻(xiàn)與經(jīng)驗(yàn)確定各參數(shù)的初始值。初始值的確定可遵循下述方式：

天線的工作頻段為DCS頻段，因此設(shè)計(jì)時(shí)中心頻率設(shè)定為1.8GHz，其對應(yīng)的自由空間波長為167mm。因此，參照文獻(xiàn)的結(jié)果，L可選取為中心頻率波長，即167mm，W選為5mm，Ca可選為180mm，Cb為100mm，Wa、Wb分別選擇100mm與50mm，a、b則分別取為220mm與150mm，H1、H2均選為5mm。

在上述參數(shù)的基礎(chǔ)上，使用HFSS進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)即可獲得較為理想的天線參數(shù)。優(yōu)化過程中可以發(fā)現(xiàn)，開窗的大小會(huì)對天線的輻射方向性影響較大，開窗過大或過小，天線都不能在Z軸正上方（坐標(biāo)如圖1）獲得理想的增益。而縫隙長度L則主要影響天線整個(gè)頻帶內(nèi)增益的起伏。當(dāng)其他參數(shù)固定，而L在一個(gè)波長附近變化時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)L越大，則頻率高端增益越好，反之，L越小則低端增益越高?？p隙帶度W與開窗寬度Wb、背腔寬度Cb對天線的阻抗特性影響較大。例如，縫隙越寬則天線的阻抗帶寬越寬，然而其帶內(nèi)駐波比則相應(yīng)增大，反之，則阻抗帶寬變窄而帶內(nèi)駐波比減小。根據(jù)這些規(guī)律，可以有目的調(diào)整各個(gè)參數(shù)，最后對開窗貼片的高度H1、背腔高度H2進(jìn)行微調(diào)即可實(shí)現(xiàn)理想的方向圖與阻抗特性。

4.仿真結(jié)果與分析

最后，經(jīng)過仿真分析，確定的尺寸參數(shù)為：

a=220mm,b=180mm,Wa=86mm,Wb=40mm,L=165mm,W=3.8mm,Ca=180mm,Cb=96mm,H1=4.8mm，H2=5mm。

仿真獲得的天線阻抗特性如圖2所示。此處，我們將HFSS仿真獲得的結(jié)果與另外一種電磁仿真軟件CSTMicrowaveStudio仿真獲得的結(jié)果進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)二者基本一致，證實(shí)了仿真結(jié)果的可靠性。仿真結(jié)果顯示，在1.7－2.05GHz頻段，天線VSWR2.5，具備較好的寬帶特性，可完全覆蓋DCS頻段。

圖2天線駐波比特性

圖3給出了天線在各個(gè)頻率上仿真獲得的輻射方向圖。結(jié)果顯示天線在此頻段可以獲得最高11.2最低8.5dB的增益。