【摘 要】本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)貼片天線和背面加載了傳統(tǒng)金屬板的貼片天線性能的分析，提出了一種加載特殊金屬背板的新貼片天線，使其帶寬得到了明顯的改善。

【關(guān)鍵詞】貼片天線 金屬背板

新世紀(jì)以來(lái)，印制電路天線技術(shù)，特別是微帶貼片天線技術(shù)已經(jīng)成為整個(gè)天線領(lǐng)域中一個(gè)不可取締的專(zhuān)門(mén)的天線技術(shù)分支，微帶貼片天線[1]是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基板上印刻導(dǎo)體貼片構(gòu)成的，貼片一般是矩形、圓形、蝶形等。相比于普通天線，微帶貼片天線主要有以下優(yōu)點(diǎn)：重量輕、體積小、剖面薄的平面結(jié)構(gòu)，可以做成共形天線；制作成本低，可以應(yīng)用PCB板技術(shù)大量生產(chǎn)制作；無(wú)需大的變動(dòng)，天線就能容易的裝載在各種設(shè)備上天線的散射截面小；稍微改變饋電位置就能獲得圓極化或者線極化；通常可以雙頻率工作；適合組合式設(shè)計(jì)比如在天線基板上直接額添加放大器、調(diào)諧器和開(kāi)關(guān)等固體器件；天線的饋線和匹配網(wǎng)格能與天線一同制作；對(duì)于制作成智能天線和有源天線有巨大潛力。但是與傳統(tǒng)天線相比的同時(shí)微帶貼片天線也有其缺點(diǎn)：頻帶窄、損耗大、從而增益偏低、大多數(shù)的微帶貼片天線只向半空間輻射、饋線和輻射源之間的隔離差、端射性能差、可能存在表面波等等一些問(wèn)題。

一、加載傳統(tǒng)金屬背板的貼片天線性能

傳統(tǒng)用于加載在貼片天線背部的是一整塊金屬板，其主要目的是為了抑制背向輻射，因?yàn)殡姶挪ú荒芡高^(guò)金屬背板，所以當(dāng)電磁波傳播到金屬背板時(shí)將會(huì)被完全反射回去，這樣使得電磁波只能夠從天線正面輻射出去，因此直接的增加天線的正面輻射，從而使得天線的增益得到提高。我們基于電磁仿真軟件CST（CST Design Environment（CST）是一套功能全面、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的專(zhuān)業(yè)電磁仿真軟件，它的仿真結(jié)果與相對(duì)應(yīng)的真實(shí)事物的檢測(cè)結(jié)果的一致性也已由大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）在設(shè)計(jì)之初，我們?cè)谝延械牡翁炀€的基礎(chǔ)上采用離散端口饋電，對(duì)其背部加載金屬板，蝶形天線輻射板及金屬板采用銅材料，天線基本采用FR-4有耗介質(zhì)板。這時(shí)通過(guò)圖一我們可見(jiàn)，由于貼片天線是諧振型天線，整個(gè)天線在0GHZ-3GHZ頻段內(nèi)的諧振點(diǎn)被完全壓制，幾乎沒(méi)有任何通帶。通過(guò)對(duì)天線的輻射原理分析，我們發(fā)現(xiàn)加載整塊金屬背板大大的增加了貼片天線其等效電容，從而使得天線的諧振頻率也相應(yīng)的提高。

二、加載特殊金屬背板的貼片天線性能

在上面對(duì)貼片天線背部加載整塊金屬板的性能分析基礎(chǔ)上，我們通過(guò)對(duì)金屬板的外形進(jìn)行改進(jìn)以達(dá)到降低天線的輸入阻抗為目的，將其重新加載在貼片天線背部。

結(jié)構(gòu)中參數(shù)A和L為介質(zhì)基板正面貼片天線的尺寸模型，加載在貼片背面的特殊金屬板是由長(zhǎng)為W間距為G的正方形金屬格組成，通過(guò)對(duì)改進(jìn)后的貼片天線進(jìn)行仿真我們得到天線的S11參數(shù)曲線與不加特殊金屬板的同樣貼片天線的S11參數(shù)對(duì)比如下：

圖中紅色為背面加載了特殊金屬板的貼片天線S11參數(shù)曲線，綠色為不加任何材料的同樣貼片天線的S11參數(shù)曲線?？梢钥吹皆谖覀兲降乩走_(dá)需要的工作頻域內(nèi)，加載了特殊金屬板的貼片天線其-10DB以下通帶在0.4GHZ-1.2GHZ頻段，而不加材料的貼片天線其-10DB以下通帶只是0.4GHZ-0.55GHZ頻段。加載了特殊金屬板貼片天線其相對(duì)帶寬達(dá)到了90%，是后者的4倍以上，真實(shí)的反應(yīng)了特殊金屬背板對(duì)貼片天線帶寬的改善。

三、分析與總結(jié)

傳統(tǒng)的貼片天線之所以頻帶窄是因?yàn)槠漭斎胱杩闺S頻率變化而不斷變化的原因，單一的加載完整的金屬背板并不能對(duì)貼片天線的輸入阻抗隨頻率的變化起到好的改善作用，然而通過(guò)在貼片天線背面加載特殊金屬板，由于金屬小方塊之間空隙的存在，金屬小方塊之間會(huì)有一個(gè)相互耦合作用，這個(gè)耦合作用使得天線的輸入阻抗在0.5GHZ-1GHZ頻段內(nèi)變化時(shí)得到了補(bǔ)償，從而使得這時(shí)的貼片天線輸入阻抗近似為恒定值，因此才會(huì)產(chǎn)生如此寬的通帶。最后通過(guò)對(duì)以上三種仿真結(jié)果的分析，我們發(fā)現(xiàn)特殊金屬板確實(shí)對(duì)能用于探地雷達(dá)頻率段的貼片天線的寬帶起到了巨大的改善作用，這說(shuō)明了其在貼片天線設(shè)計(jì)中的潛在價(jià)值，為未來(lái)貼片天線的發(fā)展提供了一個(gè)好的參考，以上結(jié)果我們只是通過(guò)人工粗糙的優(yōu)化得到，如果在MATLAB平臺(tái)上對(duì)加載特殊金屬板的貼片天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行遺傳算法，進(jìn)化算法等優(yōu)化處理后，相信結(jié)果會(huì)更令人滿意。

參考文獻(xiàn)：

[1]《介質(zhì)埋藏微帶天線》，倪國(guó)旗主編，國(guó)防工業(yè)出版社，2012年

作者簡(jiǎn)介：

郭明（1990-），男，湖北潛江人，在讀碩士，2011年畢業(yè)與長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，長(zhǎng)江大學(xué)2011屆地球探測(cè)與信息技術(shù)專(zhuān)業(yè)研究生，研究方法：地質(zhì)工程。