- 微帶天線的設(shè)計(jì)
- 雙層微帶天線的結(jié)構(gòu)
- 雙層微帶天線的理論分析
- 雙層微帶天線的尺寸參數(shù)
微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上附加導(dǎo)體貼片而構(gòu)成的天線,采用微帶線或者同軸探針對(duì)貼片進(jìn)行饋電,在貼片和接地板之間激勵(lì)起電磁場(chǎng),通過貼片與縫隙向外輻射。由于微帶天線具有體積小,剖面低,重量輕,易饋電以及易與載體共形安裝等優(yōu)點(diǎn),而廣泛應(yīng)用于測(cè)量和通訊各個(gè)領(lǐng)域。
但是,由于微帶天線是一種諧振式天線,高Q特性也就決定了其輸入阻抗對(duì)頻率變化很敏感,導(dǎo)致了貼片天線的頻帶較窄(一般頻帶的相對(duì)帶寬只有2%~5%)。對(duì)于工作在北斗頻段的微帶天線而言,由于帶寬較窄,所以對(duì)工作頻點(diǎn)的準(zhǔn)確性有很高的要求,外界環(huán)境的微小變化都有可能使得頻點(diǎn)發(fā)生漂移,導(dǎo)致天線無法正常工作,為了解決這個(gè)問題,可以擴(kuò)寬微帶天線在頻點(diǎn)周圍的頻帶,這樣即使發(fā)生了頻點(diǎn)漂移,天線的工作頻點(diǎn)依然可以保持在天線的工作帶寬范圍內(nèi)。
針對(duì)擴(kuò)寬微帶天線的頻帶問題,已經(jīng)有了很多設(shè)計(jì)方法:增加介質(zhì)基板的厚度,但這樣會(huì)引入表面波損耗;減小介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),但是會(huì)使基板的尺寸加大;增加寄生單元,同樣會(huì)使基板的面積加大;增加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò);縫隙耦合饋電;采用多層結(jié)構(gòu)等。本文采用在雙層貼片間加入空氣層的結(jié)構(gòu),利用兩個(gè)貼片之間的相互耦合作用,產(chǎn)生兩個(gè)相近的諧振頻率點(diǎn),從而達(dá)到增加微帶天線頻帶寬度的目的。下面對(duì)該微帶天線結(jié)構(gòu)、理論和仿真結(jié)構(gòu)進(jìn)行論述,并在最后給出了結(jié)論。
微帶天線的設(shè)計(jì)
1.1雙層微帶天線的結(jié)構(gòu)微帶天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示,與傳統(tǒng)微帶天線采用同軸探針對(duì)貼片進(jìn)行饋電不同,本文采用了正交微帶線對(duì)貼片進(jìn)行饋電,這樣既可以避免因?yàn)橥S探針的使用而引入電感,對(duì)天線的阻抗匹配帶來不便,也可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)天線的圓極化功能。兩條正交微帶線的寬度相同,均為W1。此外,從圖中可以看到,在兩個(gè)貼片之間加入了空氣層,使其起到降低介電常數(shù)的作用,從而達(dá)到增加頻帶寬度的目的。
1.2雙層微帶天線的理論分析具體的推導(dǎo)步驟如下,假設(shè)下層貼片的諧振頻率為f01,邊長(zhǎng)為L(zhǎng)e1,上層貼片的諧振頻率為f02,邊長(zhǎng)為L(zhǎng)e2,有:
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1.3雙層微帶天線的尺寸參數(shù)本文采用的基板是TACNIC公司的介質(zhì)基板,ε1=2.65,h=O.5mm。其中,上貼片L2=95mm,下貼片L1=70mm;底層介質(zhì)基板的厚度為h1=1mm,中間空氣層的厚度為h2=13mm,介電常數(shù)為ε2=1.0(也可以采用介電常數(shù)接近于1的泡沫材料代替空氣層,本文選擇用空氣層來達(dá)到降低有效介電常數(shù)的目的)。
經(jīng)過多次仿真實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)W1=6.4mm時(shí),微帶天線可以得到較好的阻抗匹配。1.4雙層微帶天線的仿真結(jié)果與分析根據(jù)上述各個(gè)參量值,采用Ansoft公司的HFSS對(duì)本文所設(shè)計(jì)的微帶天線進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果如下:圖2給出了S11≤-10dB時(shí)的微帶天線的頻帶展寬情況,圖3則給出了VSWR≤2時(shí),微帶天線的頻帶展寬情況。
從圖2,圖3中可以看出,微帶天線的工作頻帶在1.206~1.346GHz之間,中心頻率為1.276GHz,與北斗頻點(diǎn)1.268GHz相距很近,頻帶寬度達(dá)到了BW=140MHz,相對(duì)寬度為11.04%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了普通微帶矩形貼片天線的工作帶寬的范圍(一般普通的微帶天線相對(duì)帶寬在2%~5%左右)。適當(dāng)?shù)恼{(diào)整空氣層的厚度還可以控制諧振點(diǎn)的變化。
此外,從圖2,圖3中還可以看到,在工作的頻帶范圍內(nèi)有2個(gè)諧振頻點(diǎn),這是由上,下2個(gè)貼片各自諧振而引起的,可見雙層貼片可以產(chǎn)生兩個(gè)諧振點(diǎn),進(jìn)而可以有效地達(dá)到展寬微帶天線頻帶的目的。
由圖4可以看到,雙層微帶天線的增益達(dá)到了5.2dB,較之傳統(tǒng)的微帶天線增益有少許增加,由此可見,雙貼片的微帶天線在提高增益方面也有一定的貢獻(xiàn)。若要大幅度提高微帶天線的增益,則可以在頂層貼片上再覆蓋一層εr>>1的介質(zhì)基板即可。從圖5中可以看出,微帶天線的部分軸比小于3dB,從而實(shí)現(xiàn)了天線的圓極化,但是微帶天線的最大輻射方向偏離軸向,天線的軸向比變差。該微帶天線基本可以滿足圓極化的要求。
針對(duì)微帶貼片天線頻帶較窄的特點(diǎn),本文提出了一種利用正交微帶線進(jìn)行饋電的雙貼片微帶天線結(jié)構(gòu)。在VSWR≤2時(shí),頻帶范圍在1.206~1.346GHz之間,帶寬達(dá)到了140MHz,相對(duì)帶寬達(dá)到了11.04%。在工作頻段內(nèi),天線的增益有稍許提高,軸比可以接受,所以此天線結(jié)構(gòu)是一種比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的微帶天線結(jié)構(gòu)。