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    作者：張毅    

1  引言

    微帶貼片天線具有低剖面、小尺寸、制作成本低、易于與微波電路集成、易于與載體共形及實(shí)現(xiàn)圓極化等很多優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)線通信、衛(wèi)星通信中得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。但是微帶貼片天線是一種諧振式天線，帶寬很窄，單貼片的微帶天線帶寬一般都小于7%，而且增益低，單個(gè)天線功率容量小，不能滿足很多無(wú)線通信系統(tǒng)的需要。為了增大帶寬，可采用增大基片厚度、層疊結(jié)構(gòu)增加寄生貼片、縫隙加載、減小介質(zhì)介電常數(shù)、改變貼片形狀、采用有耗介質(zhì)等方法。圓極化微帶天線抗干擾和多徑反射能力強(qiáng)，對(duì)天線指向要求低，是微帶天線領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

    微帶貼片天線常用的單點(diǎn)饋電方式包括同軸線和微帶線饋電。實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)饋電圓極化的方法是通過(guò)貼片上切角、非對(duì)稱的貼片邊界形狀或者非對(duì)稱的縫隙加載使天線的基本模式分裂為兩個(gè)正交模式，當(dāng)兩個(gè)模式相位差為900時(shí)，形成圓極化輻射。非對(duì)稱縫隙加載實(shí)現(xiàn)圓極化的同時(shí)降低了天線的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)了尺寸縮減，但是天線的增益降低，帶寬變窄。Nasimuddin等在參考文獻(xiàn)中提出在方形貼片的對(duì)角線上加載十字形縫隙實(shí)現(xiàn)圓極化和尺寸縮減，表明十字形縫隙加載相對(duì)于其他形式的縫隙加載，如方形縫隙、圓形縫隙加載等，是實(shí)現(xiàn)天線尺寸縮減的有效方法，但是尺寸縮減使天線的增益下降，帶寬減小。當(dāng)尺寸縮減10%時(shí)，天線的圓極化帶寬小于1%，增益僅為3.8 dB。采用環(huán)形貼片，如方形環(huán)、圓環(huán)、三角形環(huán)等，可實(shí)現(xiàn)天線的尺寸縮減。提出了工作于基本模式TMn模的圓環(huán)形微帶貼片天線，在環(huán)內(nèi)嵌入一個(gè)L型枝節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)饋電點(diǎn)的位置形成圓極化，圓極化帶寬約為2%，最小軸比約為1 dB。提出了U型槽加載的微帶貼片天線，通過(guò)加載U型縫隙可以獲得寬帶阻抗

匹配，改變U型槽一條臂的長(zhǎng)度或者對(duì)角線切角可獲得圓極化。當(dāng)介質(zhì)為空氣，介質(zhì)厚度為中心波長(zhǎng)的8.5%時(shí)，圓極化帶寬為4%。為了獲得帶寬圓極化，國(guó)外很多學(xué)者提出了各種不同形式的印刷縫隙天線。這些天線通過(guò)在微帶線接地板上刻大尺寸的圓型、方型或者環(huán)型縫隙，通過(guò)L型微帶線形成帶寬圓極化。但是這些天線的輻射是雙向的，增益較低，要形成單向輻射需要加反射板，大大增大了天線的軸向尺寸，而且天線的方向圖特性差，圓極化特性也比微帶貼片天線差。因此，對(duì)帶寬及圓極化微帶貼片天線的研究和設(shè)計(jì)具有重要的意義。

    現(xiàn)有文獻(xiàn)中對(duì)圓極化微帶貼片天線的設(shè)計(jì)中，很難同時(shí)兼顧天線的阻抗帶寬、圓極化特性、貼片尺寸、增益等性能指標(biāo)，而且對(duì)加工公差要求高。本文提出在方形微帶貼片天線的貼片上加載一個(gè)大尺寸的十字形縫隙縮減天線的尺寸，然后在十字形縫隙中嵌入L型枝節(jié)形成圓極化，通過(guò)改變枝節(jié)上同軸線饋電點(diǎn)的位置即可實(shí)現(xiàn)圓極化，避免了貼片對(duì)角線切角、非對(duì)稱的貼片邊界和非對(duì)稱縫隙加載加工誤差對(duì)圓極化特性的影響：同時(shí)可以通過(guò)改變饋電點(diǎn)的位置調(diào)節(jié)兩個(gè)諧振頻率形成寬帶微帶天線：介質(zhì)基板采用1.6 mm厚的FR4介質(zhì)板和空氣層組成的層疊結(jié)構(gòu)，可以有效降低介電常數(shù)，增大天線的帶寬，提高天線的增益，而且易于調(diào)節(jié)介質(zhì)層的等效介質(zhì)常數(shù)和厚度。

2  天線結(jié)構(gòu)及參數(shù)

    本文提出的十字形縫隙加載微帶天線如圖1所示。圖l(a)、圖l(b)分別給出了天線的側(cè)視圖和頂視圖。在普通微帶天線貼片的中心刻一個(gè)大尺寸的十字形槽達(dá)到縮減尺寸的目的。在縫隙中嵌入L型枝節(jié)，調(diào)整枝節(jié)上饋電點(diǎn)的位置可形成x和y方向上兩個(gè)不同的諧振頻率。當(dāng)兩個(gè)諧振頻率比較接近時(shí)，可形成兩個(gè)相位差為900的正交模式，在天線的軸向形成圓極化輻射：當(dāng)兩個(gè)方向的諧振頻率相差較大時(shí)，可形成天線的雙頻和寬帶工作。采用層疊介質(zhì)一方面可以減小介質(zhì)的有效介電常數(shù)和諧振的品質(zhì)因數(shù)，提高帶寬；另一方面可以減小介質(zhì)損耗，提高天線的輻射效率和增益。

    貼片和接地板的邊長(zhǎng)分別為L(zhǎng)p和Lc，十字形縫隙的長(zhǎng)和寬分別為L(zhǎng)1和L2，L型枝節(jié)的寬度為W，空氣層的厚度為H．FR4介質(zhì)板的厚度為1.6 mm，其相對(duì)介電常數(shù)為4.4，損耗正切為0.02，饋電同軸探針直徑為0.6 mm，LF為饋電點(diǎn)到貼片中心的距離。

    經(jīng)過(guò)優(yōu)化，選擇天線的幾何參數(shù)如下：/c=llo mm，/P=56 mm，L1=42 mm，L2=12.6 mm，LF=8.5 mm（圓極化設(shè)計(jì)），14 mm（寬帶設(shè)計(jì)），W=5 mm，H=8 mm。

3仿真結(jié)果及討論

3.1  圓極化微帶天線設(shè)計(jì)

    本文用ANSYS公司開(kāi)發(fā)的基于有限元法的三維電磁仿真軟件HFSS15.0(high frequency structure simulator)對(duì)天線進(jìn)行了仿真分析。雖然沒(méi)有進(jìn)行天線實(shí)物的加工和測(cè)試，但是由于HFSS計(jì)算精度高，其仿真結(jié)果也能驗(yàn)證本文提出的設(shè)計(jì)方案的正確性和有效性。

    天線的Smith圓圖如圖2所示，軸向增益和軸比隨頻率的變化如圖3所示�？梢�(jiàn)，天線的阻抗帶寬（VSWR≤2）為91 MHz(153~1.621 GHz，5.8%)，圓極化帶寬（軸比AR≤3 dB）為26 MHz(1.577～1.604 GHz，1.7%),最小軸比為0.1 dB。天線的最大增益為7.8 dB，在寬帶范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的增益，增益變化小于0.5 dB。圖4為天線在1.591 GHz時(shí)的三維增益方向圖，其中圖4(a)、圖4(b)分別為右旋和左旋圓極化分量。可見(jiàn)，天線輻射的是右旋圓極化波，改變L型枝節(jié)的方向即可改變圓極化波的旋向，實(shí)現(xiàn)左旋圓極化。

由矩形微帶貼片天線的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)公式：

其中，h和W為介質(zhì)厚度和貼片寬度，8r為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，8eff為有效介電常數(shù)。由式(1)~式(3)可以求出空氣介質(zhì)微帶貼片天線諧振頻率為1.591 GHz時(shí)，天線的貼片尺寸約為81.1 mm，因此本文提出的縫隙加載貼片天線實(shí)現(xiàn)了約52.3%的貼片面積縮減。

3.2寬帶微帶天線設(shè)計(jì)

    改變饋電點(diǎn)位置LF可使天線形成雙頻諧振從而實(shí)現(xiàn)天線雙頻或者寬帶工作。饋電點(diǎn)位置LF=14 mm時(shí)，天線的Smith圓圖如圖5所示，圖中同時(shí)給出了貼片尺寸為81,1 mm的空氣介質(zhì)傳統(tǒng)微帶貼片天線的Smith圓圖。可見(jiàn)，改變饋電點(diǎn)位置可使天線高頻諧振頻率點(diǎn)增大，從而可以增大天線的阻抗帶寬。當(dāng)LF=14 mm時(shí)，天線的阻抗帶寬（VSWR≤2）為146 MHz(1.53～1.676 GHz，9.4%)。由圖5可知，傳統(tǒng)微帶貼片天線只有一個(gè)諧振頻率點(diǎn)，其阻抗帶寬為70 MHz(1.562~1.632 GHz，4.4%)。本文提出的縫隙加載微帶貼片天線比傳統(tǒng)的微帶貼片天線阻抗帶寬提高了114%，而貼片面積縮小了52.3%。

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種帶寬及圓極化微帶貼片天線。貼片中心加載的大尺寸十字形縫隙實(shí)現(xiàn)了天線的尺寸縮減,L型加載的枝節(jié)實(shí)現(xiàn)了圓極化。只需改變饋電點(diǎn)的位置即可實(shí)現(xiàn)天線的寬帶阻抗匹配或者圓極化輻射。天線圓極化帶寬和阻抗帶寬分別為1.7%和9.4%，為小型圓極化及帶寬微帶貼片天線的設(shè)計(jì)提供了參考。

5摘  要：

提出了一種十字形縫隙加載的小型寬帶及圓極化微帶貼片天線的設(shè)計(jì)方法。該天線通過(guò)在方形貼片上加載一個(gè)大尺寸的十字形縫隙實(shí)現(xiàn)天線的尺寸縮減，介質(zhì)基片采用由FR4和空氣層組成的層疊結(jié)構(gòu)，在縫隙中嵌入L型枝節(jié)，只需通過(guò)調(diào)整枝節(jié)上同軸線饋電點(diǎn)的位置來(lái)獲得圓極化或?qū)拵ё杩蛊ヅ�。ANSYS HFSS仿真分析表明，天線的圓極化帶寬(AR≤3 dB)為l.7%，阻抗帶寬(VSWR≤2)為5.8%，天線在寬帶范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的增益，峰值增益為7.8 dB，同時(shí)貼片面積縮減了52.3%。改變饋電點(diǎn)的位置可調(diào)節(jié)兩個(gè)諧振頻率使天線阻抗帶寬達(dá)到9.4%，比傳統(tǒng)的微帶貼片天線阻抗帶寬提高了114%。