湖南文理學院 戴正科

S波段微帶寬頻貼片天線設(shè)計

湖南文理學院 戴正科

近年來，隨著無線通訊設(shè)備的快速發(fā)展，S波段（頻率范圍在1.55～3.4GHz之間）的電磁波得到了更加廣泛的應(yīng)用。同時由于調(diào)頻技術(shù)的發(fā)展，對天線的寬帶化提出了更高的要求。本文提出中兩種S波段微帶寬頻天線的設(shè)計方法，在貼片兩邊開槽和增加寄生貼片，并通過仿真實驗對設(shè)計出的天線進行仿真實驗，對其微帶的帶寬進行研究，發(fā)現(xiàn)這兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計均能達到S波段微帶天線拓寬帶寬的目的，希望對天線的寬帶化提供一些幫助。

S波段；微帶寬頻；貼片；天線設(shè)計

0 前言

近年來，無線通訊技術(shù)發(fā)展迅速，S波段的頻率范圍為1.55～3.4GHz。微帶天線由于其體積小、重量輕、低剖面、易與載體共形等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各類通信系統(tǒng)。但是微帶天線的帶寬比只有5%左右，這種比較窄的帶寬比又影響了其使用。而隨著無線通訊技術(shù)中跳頻技術(shù)的發(fā)展，對于微帶寬帶化提出了更高的要求。因此，目前需要研究如何將微帶天線的帶寬進行擴寬。一般多采用層疊貼片增加微帶天線帶寬，而采用口徑耦合的饋電方式減少饋電網(wǎng)絡(luò)對天線輻射單元的耦合。目前，對于增加微帶帶寬的方法有以下幾種，首先是增大微帶天線介質(zhì)基體的厚度，其次是降低微帶天線介質(zhì)基體的介電常數(shù)，再次是采用有耗介質(zhì)，最后可以采用增肌阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的方法。其中最為主要的兩種方法是在貼片兩邊開槽和增加寄生貼片的方法，本文將針對這兩種方式進行分析。

1 S型結(jié)構(gòu)微帶天線

S型微帶天線的設(shè)計可以通過調(diào)整貼片兩邊平行槽的寬度和長度來調(diào)整天線的帶寬和諧振頻率。

天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，天線總厚度為3mm，其中介質(zhì)層為SF4玻璃增強板。

圖1 S型微帶天線

對設(shè)計的S型微帶天線通過HFSS10.0仿真軟件進行仿真實驗，當回損＜-10.0dB時，得到的數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 S型微帶天線仿真數(shù)據(jù)

由表中數(shù)據(jù)可得，S型微波天線的相對帶寬達到了寬帶天線的要求標準，滿足了對于天線帶寬的要求，同時可以滿足天線多頻的要求，說明這種設(shè)計可以滿足無線寬帶技術(shù)中對于視頻影像的傳輸要求。且這種設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，基礎(chǔ)性能良好，在工程應(yīng)用中會有良好的前景，可以進行大力推廣。但是目前的S型微帶縫隙天線還存在一些缺點，如在高頻段的輻射性能較差，因此，在下一步的研究中還需對這方面加強研究。

2 E型貼片結(jié)構(gòu)設(shè)計的微帶天線

E型貼片電線設(shè)計結(jié)構(gòu)主要是通過增加寄生貼片，貼片的形狀為E型，且采用雙側(cè)結(jié)構(gòu)，同時使用探針饋電的結(jié)構(gòu)，在對各種參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計得出的結(jié)構(gòu)，簡言之就是采取同軸饋電，并利用E型貼片結(jié)構(gòu)達到天線設(shè)計的多層結(jié)構(gòu)來拓寬帶寬。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 E型貼片電線設(shè)計

從圖2可以看出該類電線由金屬底板、E型輻射貼片、寄生輻射單元組成。其中E型輻貼片和寄生輻射單元均印制在聚四氟乙烯的介質(zhì)板上，介質(zhì)板的厚度為1mm。介質(zhì)板之間還有下層介質(zhì)板與底板之間均用空氣層隔開，其厚度分別為h2和h1，并用加工好的聚四氟乙烯作為支撐材料。這種結(jié)構(gòu)的天線通過探針對E型貼片進行饋電，而E型貼片通過耦合作用對上層的寄生元進行激勵。

這種結(jié)構(gòu)的天線在設(shè)計時關(guān)鍵是對寄生元輻射單元的設(shè)計，而寄生元輻射單元在設(shè)計時主要有三個地方需要注意，分別是基片的選擇，單元寬和單元長度的設(shè)計。

其中基片的選擇，基片的材料選擇時一般采用低損耗的介質(zhì)，例如聚四氟乙烯、陶瓷、聚苯乙烯等，并在這些介質(zhì)的單面敷銅、鋁或金等金屬或者雙面都敷。同時在進行基片選擇的時候最終還是要由工作頻率和天線的應(yīng)用條件決定。例如，低頻帶天線為了減小尺寸往往應(yīng)用高介電常數(shù)的材料作為基片。同時在選擇基片材料的時候除了要考慮所選材料的介電常數(shù)和損耗角正切還要其隨頻率的變化，其在加工過程中的加工性能和其抗拉強度、抗沖擊性能等等。

最后，根據(jù)常規(guī)的計算公式可以計算出這種結(jié)構(gòu)的天線設(shè)計中的各種參數(shù)。計算結(jié)果見表2。

表2 天線的最終尺寸

對于設(shè)計的E型貼片天線使用HFSS仿真軟件進行仿真，從仿真結(jié)果可以看出利用E型貼片結(jié)構(gòu)來進行拓寬帶寬是非常有效果的。在使用頻率范圍內(nèi)，帶寬均高于10%。但是在增益方面，發(fā)現(xiàn)E型貼片結(jié)構(gòu)在增益方面效果一般，一般都在7.1至8之間。所以，通常在對增益效果要求不高的時候可以使用這種E型貼片結(jié)構(gòu)進行天線設(shè)計，但是增加增益將是在拓寬帶寬的基礎(chǔ)上下一步需要進行的研究。

3 總結(jié)

S波段微帶天線體積小，重量輕，易于共性，是目前應(yīng)用最為廣泛的天線之一。但是其有一個重要缺點是頻帶較窄，為了解決微帶天線的頻帶問題，近年來，相關(guān)工作者做了大量的工作。其中主要有四種方法，本文介紹了主要的兩種，分別是在貼片兩邊開槽和增加寄生貼片的方法。這兩種方法結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計出的天線通過仿真實驗可以看出性能都非常好，完全滿足了寬帶天線的技術(shù)要求。但是這兩種結(jié)構(gòu)還存在一些問題，如在貼片兩邊開槽的S型微帶天線在高頻段的輻射性能較差，而增加寄生貼片的E型貼片結(jié)構(gòu)設(shè)計的天線增益效果不理想，這些都需要工作人員在以后的工作中進一步研究。

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