王鵬 王子元 蘆浩 薛茜男

摘 要： 微帶天線(xiàn)具有小體積、輕重量、低剖面、可共形、易極化、易生產(chǎn)和低成本等優(yōu)點(diǎn)，在航空電子和移動(dòng)互聯(lián)中得到了廣泛應(yīng)用。微帶天線(xiàn)基片是微帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，不同的基片介質(zhì)有不同的相對(duì)介電常數(shù)，基片介質(zhì)的選擇對(duì)微帶天線(xiàn)的信號(hào)傳輸影響很大?；谛滦碗p圓弧微帶結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種信號(hào)傳輸特性?xún)?yōu)、帶寬較寬的新型微帶天線(xiàn)，并對(duì)六種不同基片介質(zhì)的新型微帶天線(xiàn)模型進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)仿真數(shù)據(jù)的分析比較，得出FR?4諧振抑制深度最大、信號(hào)傳輸損耗最小、信號(hào)輸出特性最佳。

關(guān)鍵詞： 微帶天線(xiàn)； 航空電子； 移動(dòng)互聯(lián)； 相對(duì)介電常數(shù)； HFSS； FR?4

中圖分類(lèi)號(hào)： TN826?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）17?0045?04

Abstract： The microstrip antenna has the advantages of small volume， light weight， low profile， tolerable shape pairing， easy polarization， easy production and low cost， and is widely used in avionics and mobile interconnection. The substrate of the microstrip antenna acts as an important part of its structure. Since the different substrate media have different relative permittivity， the selection of substrate medium has great influence on the signal transmission of microstrip antenna. On the basis of the new biarc microstrip structure， a new microstrip antenna with excellent signal transmission characteristic and wide bandwidth was designed， and the six new microstrip antenna models with different substrate media were simulated. The analysis and comparison results of simulation data show that the FR?4 taken as the substrate medium has the largest resonant suppression depth， minimum signal transmission loss， and best signal output characteristic.

Keywords： microstrip antenna； avionics； mobile interconnection； relative permittivity； HFSS； FR?4

0 引 言

在無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)中，將來(lái)自發(fā)射端的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)線(xiàn)電波，或者將無(wú)線(xiàn)電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量，用來(lái)輻射和接收無(wú)線(xiàn)電波的裝置稱(chēng)為天線(xiàn)[1]。在航空、衛(wèi)星及GPS系統(tǒng)等高端科技領(lǐng)域中，對(duì)天線(xiàn)的大小、質(zhì)量、形狀等要素必須嚴(yán)格控制[2]，所以傳統(tǒng)的天線(xiàn)無(wú)法滿(mǎn)足這些高端科技領(lǐng)域的要求。

20世紀(jì)50年代，G.A.Deschamps教授提出一種利用微帶線(xiàn)輻射原理制成的天線(xiàn)，被稱(chēng)為微帶天線(xiàn)[3]。因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒(méi)有較合適的微波介質(zhì)材料[4]，所以微帶天線(xiàn)并未得到很好的發(fā)展。直到20世紀(jì)70年代，新材料技術(shù)經(jīng)過(guò)20年的研究有了很大的進(jìn)展，科學(xué)家們找到了適合做微帶天線(xiàn)基片的具有低損耗正切特性和良好熱特性及機(jī)械特性的基片介質(zhì)，使得微帶天線(xiàn)有了突破性的進(jìn)展[5]。如今，微帶天線(xiàn)已經(jīng)成為最具有發(fā)展前景的天線(xiàn)類(lèi)型之一，因具有小體積、輕重量、低剖面、可共形、易極化、易生產(chǎn)和低成本等優(yōu)點(diǎn)[6]，在航空電子和移動(dòng)互聯(lián)兩個(gè)最具前途的產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

微帶天線(xiàn)基片是微帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，基片介質(zhì)的選擇對(duì)微帶天線(xiàn)的信號(hào)傳輸特性影響很大，傳統(tǒng)的基片介質(zhì)包括聚四氟乙烯、氰酸酯等[7]。不同的基片介質(zhì)有不同的相對(duì)介電常數(shù)[8]和介質(zhì)損耗角正切[9]。相對(duì)介電常數(shù)又叫電容率[10]，是表征電介質(zhì)的最基本的參量，也是衡量電介質(zhì)在電場(chǎng)下的極化行為或儲(chǔ)存電荷能力[11]的參數(shù)，即表示電荷的存儲(chǔ)能力；介質(zhì)損耗角正切是指電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的有功功率和無(wú)功功率的比值。不同形狀的微帶天線(xiàn)具有不同的信號(hào)傳輸特性，適合它們的基片介質(zhì)也會(huì)有所不同。

本文基于新型雙圓弧微帶結(jié)構(gòu)，利用Ansoft HFSS軟件模型仿真，設(shè)計(jì)一種諧振抑制深度更低、諧振影響頻率帶寬更寬的新型雙圓弧微帶天線(xiàn)，與傳統(tǒng)微帶天線(xiàn)相比具有優(yōu)異的信號(hào)傳輸特性。在雙圓弧微帶結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，利用HFSS軟件對(duì)六種不同基片介質(zhì)的新型微帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)仿真數(shù)據(jù)的分析比較，得出基片介質(zhì)為FR?4時(shí)，新型雙圓弧微帶天線(xiàn)的諧振抑制深度最低、諧振影響頻率帶寬最寬、信號(hào)傳輸特性最佳。

1 新型雙圓弧微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

1.1 新型雙圓弧微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)

本文提出的新型雙圓弧微帶天線(xiàn)模型如圖1所示。模型的設(shè)計(jì)尺寸如下，[r1=]2.8 mm，[r2=2] mm，[w1=w2=]0.4 mm，[w3=3] mm，[w4=8.2 ]mm， [s1=7.8] mm，[s2=10] mm，[a=21.8] mm，[b=12] mm，[h1=0.035] mm，[h2=0.6] mm。圖2為傳統(tǒng)的雙F微帶天線(xiàn)。

采用Ansoft HFSS電磁仿真軟件對(duì)提出的新型雙圓弧微帶天線(xiàn)進(jìn)行仿真建模。圖3是新型雙圓弧微帶天線(xiàn)模型的三維視圖。在新型雙圓弧微帶天線(xiàn)末端設(shè)置兩個(gè)尺寸相同的集總端口port1和port2，port1和port2的長(zhǎng)度、寬度分別為3 mm，0.6 mm。將集總端口port1設(shè)置為輸入端口，左微帶天線(xiàn)為輸入端口微帶天線(xiàn)，port2設(shè)置為輸出端口，右微帶天線(xiàn)為輸出端口微帶天線(xiàn)，采用50 Ω同軸激勵(lì)進(jìn)行研究。

1.2 仿真分析

選用相對(duì)介電常數(shù)為4.4的環(huán)氧樹(shù)脂?玻璃（FR?4）作為新型雙圓弧微帶天線(xiàn)模型基片的介質(zhì)，通過(guò)Ansoft HFSS電磁仿真分析，得出新型雙圓弧微帶天線(xiàn)的自反射系數(shù)曲線(xiàn)（[S11]曲線(xiàn)）。

雙F微帶天線(xiàn)是一種典型的微帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)，本文對(duì)新型雙圓弧微帶天線(xiàn)和雙F微帶天線(xiàn)的信號(hào)傳輸特性進(jìn)行比較。如圖4所示，雙F微帶天線(xiàn)[S11]曲線(xiàn)的諧振點(diǎn)數(shù)為2，諧振點(diǎn)坐標(biāo)為（3.44，-1.68）和（5.44，-2.65），諧振抑制深度為-2.65 dB，諧振影響頻率帶寬為2 GHz；而新型雙圓弧微帶天線(xiàn)[S11]曲線(xiàn)的諧振點(diǎn)數(shù)為2，諧振點(diǎn)坐標(biāo)為（3.04，-1.67）和（4.12，-2.64），諧振抑制深度為[-2.64] dB，諧振點(diǎn)影響頻率帶寬為1.08 GHz。與雙F微帶天線(xiàn)相比，新型雙圓弧微帶天線(xiàn)[S11]曲線(xiàn)的諧振抑制深度提高了0.01 dB，諧振影響頻率帶寬下降了0.92 GHz，由此可見(jiàn)，新型雙圓弧微帶天線(xiàn)的信號(hào)傳輸損耗明顯小于傳統(tǒng)的雙F微帶天線(xiàn)，具有更優(yōu)異的信號(hào)傳輸特性。

2 新型雙圓弧微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

2.1 基片介質(zhì)對(duì)高頻信號(hào)特性的影響

在高頻信號(hào)傳輸過(guò)程中，微帶天線(xiàn)基片可能會(huì)因?yàn)榛橘|(zhì)選擇問(wèn)題產(chǎn)生極化、儲(chǔ)存電荷和熱能等嚴(yán)重影響高頻信號(hào)傳輸因素[12]，因此，選擇一種物理參數(shù)適合微帶天線(xiàn)高頻信號(hào)傳輸?shù)幕橘|(zhì)是必須考慮的問(wèn)題。影響高頻信號(hào)傳輸?shù)奈锢韰?shù)包括相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，它們都會(huì)對(duì)微帶天線(xiàn)信號(hào)傳輸特性產(chǎn)生一定的影響。

本文選擇了六種典型的基片介質(zhì)進(jìn)行研究。六種典型介質(zhì)的名稱(chēng)及對(duì)應(yīng)的相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切如表1所示。

2.2 數(shù)據(jù)比較

采用Ansoft HFSS電磁仿真軟件對(duì)六種不同基片介質(zhì)的新型雙圓弧微帶天線(xiàn)模型進(jìn)行仿真分析，得出六種模型的[S11]參數(shù)曲線(xiàn)，如圖5所示。

從圖5中可以看出，當(dāng)基片介質(zhì)為聚四氟乙烯時(shí)，[S11]參數(shù)曲線(xiàn)的諧振點(diǎn)數(shù)為3；當(dāng)基片介質(zhì)為水時(shí)，[S11]參數(shù)曲線(xiàn)的諧振點(diǎn)數(shù)為4；而當(dāng)基片介質(zhì)為其他四種介質(zhì)時(shí)，[S11]參數(shù)曲線(xiàn)的諧振點(diǎn)數(shù)為2。由于[S11]參數(shù)曲線(xiàn)的諧振點(diǎn)數(shù)越多，微帶天線(xiàn)的信號(hào)傳輸損耗越大，而且諧振點(diǎn)數(shù)對(duì)信號(hào)傳輸損耗特性的影響最大，所以排除介質(zhì)聚四氟乙烯和水。

根據(jù)圖5中的[S11]參數(shù)曲線(xiàn)，得出基片介質(zhì)為空氣時(shí)，[S11]參數(shù)曲線(xiàn)的諧振點(diǎn)坐標(biāo)為（4.36，-5.42）和（5.52，-4.26）；基片介質(zhì)為氰酸酯/玻璃時(shí)，[S11]參數(shù)曲線(xiàn)的諧振點(diǎn)坐標(biāo)為（3.28，-1.19）和（4.4，-6.14）；基片介質(zhì)為FR?4時(shí)，[S11]參數(shù)曲線(xiàn)的諧振點(diǎn)坐標(biāo)為（3.04，-1.67）和（4.12，-2.64）；基片介質(zhì)為陶瓷填充聚四氟乙烯時(shí)，[S11]參數(shù)曲線(xiàn)的諧振點(diǎn)坐標(biāo)為（2.76，-2.97）和（3.84，-4.96）。根據(jù)四種基片介質(zhì)模型[S11]曲線(xiàn)諧振點(diǎn)坐標(biāo)，得出信號(hào)傳輸損耗特性如表2所示。

圖6為四種基片介質(zhì)新型雙圓弧微帶天線(xiàn)模型信號(hào)傳輸損耗特性折線(xiàn)圖。從表2和圖6可以看出，當(dāng)基片介質(zhì)為FR?4和陶瓷填充聚四氟乙烯時(shí)，諧振影響頻率帶寬最小，為1.08 GHz；當(dāng)基片介質(zhì)為FR?4時(shí)，諧振抑制深度最大，為-2.64 dB。綜合考慮，當(dāng)基片介質(zhì)為FR?4時(shí)，新型雙圓弧微帶天線(xiàn)的信號(hào)傳輸損耗最小，信號(hào)輸出特性最佳。

2.3 仿真電場(chǎng)分布圖比較和驗(yàn)證

圖7為六種不同基片介質(zhì)微帶天線(xiàn)的仿真電場(chǎng)分布圖，從圖中可以看出，當(dāng)基片介質(zhì)為水時(shí)，輸入端口微帶天線(xiàn)（左微帶天線(xiàn)）和輸出端口微帶天線(xiàn)（右微帶天線(xiàn)）的電場(chǎng)能量幾乎為零，說(shuō)明兩條微帶天線(xiàn)信號(hào)傳輸特性最差。

通過(guò)對(duì)其他五種基片介質(zhì)微帶天線(xiàn)的仿真電場(chǎng)分布圖比較可以看出，當(dāng)基片介質(zhì)為FR?4時(shí)，輸入端口微帶天線(xiàn)和輸出端口微帶天線(xiàn)的電場(chǎng)分布最相似，說(shuō)明兩條微帶天線(xiàn)信號(hào)傳輸特性最好。這進(jìn)一步證明了當(dāng)基片介質(zhì)為FR?4時(shí)，新型雙圓弧微帶天線(xiàn)的信號(hào)傳輸損耗最小，信號(hào)輸出特性最佳的結(jié)論。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種新型雙圓弧微帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)，通過(guò)Ansoft HFSS電磁仿真分析，得出新型雙圓弧微帶天線(xiàn)的諧振抑制深度為-2.64 dB，諧振點(diǎn)影響頻率帶寬為1.08 GHz。與雙F微帶天線(xiàn)相比，新型雙圓弧微帶天線(xiàn)的諧振抑制深度提高了0.01 dB，諧振影響頻率帶寬下降了0.92 GHz。由此可見(jiàn)，新型雙圓弧微帶天線(xiàn)的信號(hào)傳輸損耗明顯小于傳統(tǒng)的雙F微帶天線(xiàn)，信號(hào)傳輸特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的雙F微帶天線(xiàn)。本文進(jìn)一步探究了基片介質(zhì)對(duì)微帶天線(xiàn)信號(hào)傳輸特性的影響，利用HFSS對(duì)六種不同基片介質(zhì)的新型雙圓弧微帶天線(xiàn)模型進(jìn)行仿真分析和數(shù)據(jù)比較，得出當(dāng)基片介質(zhì)為FR?4時(shí)，新型雙圓弧微帶天線(xiàn)的信號(hào)傳輸損耗最小，信號(hào)輸出特性最佳。研究結(jié)果表明，選取介質(zhì)為FR?4的新型雙圓弧微帶天線(xiàn)可獲得較好的高頻信號(hào)傳輸特性。

注：本文通訊作者為薛茜男。

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