王崇惜，鄧淑英

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所 陜西省天線與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

0 引 言

隨著通信容量的不斷增大，具有雙頻雙極化特性的微帶天線以其斷面薄、體積小、易與載體表面共形等特點(diǎn)在機(jī)載等需要輕薄天線的平臺(tái)上具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

本文介紹了一種短路加載層疊式雙頻雙極化微帶天線設(shè)計(jì)。文中給出了天線等效電路模型和相關(guān)計(jì)算公式，并采取雙層貼片、短路加載等相關(guān)措 施[1-2]，使天線在L頻段（1.65～1.75 GHz），相對(duì)阻抗帶寬約6%（VSWR≤2），帶內(nèi)增益大于 8.2 dBi；在C頻段（3.40～4.20 GHz），相對(duì)阻抗帶寬約21%（VSWR≤2），帶內(nèi)增益大于7.5 dBi。 圖1為天線仿真模型示意圖。

圖1 天線仿真模型

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 L頻段

1.1.1 理論分析與參數(shù)計(jì)算

圓形微帶天線是工作在主模TM01下的圓形貼片結(jié)構(gòu)，其帶寬和輻射效率隨基片加厚而增加。四種常用的基片材料是Regers5880（εr=2.2）、duroidεr=2.32）、rexolite（εr=2.6）和陶瓷（εr=9.8）。

對(duì)于已知的介質(zhì)基片，在給定工作頻率fr時(shí)，圓形微帶天線的貼片半徑為[3]：

式中：

fr單位是GHz，R單位是mm。

圖2為天線仿真模型L頻段示意圖。它由標(biāo)準(zhǔn)SMA-50 Ω同軸探針、介質(zhì)層、短路加載和反射板構(gòu)成。加入短路加載，可以引入電感分量L，使其與貼片和反射板間存在的電容分量組合形成一個(gè)LC諧振電路，產(chǎn)生新的諧振頻率。這種設(shè)計(jì)主要是通過(guò)調(diào)整短路加載的幾何外形和加載位置來(lái)調(diào)節(jié)感性分量L，從而在拓寬頻帶寬度的同時(shí)起到緊固作用。

圖2 仿真模型L頻段

參見(jiàn)圖2，設(shè)計(jì)采用50 Ω同軸底饋，設(shè)計(jì)的頻率范圍是1.65～1.75 GHz，同時(shí)考慮到饋電探針引入的電感對(duì)阻抗匹配造成的影響[4]，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算獲得一組滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的天線參數(shù)：貼片半徑R1=39.5 mm， 貼片厚度H1=1 mm，介質(zhì)基板半徑R0=33.5 mm，介質(zhì)基板厚度H0=10 mm，反射板半徑RGND=75 mm，水平、垂直極化饋電點(diǎn)距離D1=D2=15.5 mm，介質(zhì)基板介電常數(shù)ε2=2.20（Rogers 5880）。

1.1 .2 仿真計(jì)算及優(yōu)化

求解得到天線各項(xiàng)參數(shù)，通過(guò)HFSS15建模仿真并優(yōu)化，最終確定貼片半徑R1=41 mm，饋電點(diǎn)距原點(diǎn)距離D1=D2=16.2 mm，其他各項(xiàng)參數(shù)不變。圖3為優(yōu)化仿真后端口回波損耗曲線和中頻典型頻點(diǎn)的輻射方向圖計(jì)算結(jié)果。在1.65～1.75 GHz設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)，相對(duì)阻抗帶寬約6%（VSWR≤2）。

圖3 L頻段計(jì)算結(jié)果

1.2 C頻段

1.2.1 理論分析與參數(shù)計(jì)算

C頻段天線幾何結(jié)構(gòu)如圖4所示。該天線為雙層平面結(jié)構(gòu)，下層方形激勵(lì)貼片由標(biāo)準(zhǔn)SMA-50 Ω同軸探針底饋饋電，上層方形貼片為寄生單元，通過(guò)與下層激勵(lì)貼片空間耦合實(shí)現(xiàn)激勵(lì)[5]。

圖4 仿真模型C頻段

參考經(jīng)典腔模理論，單層貼片天線的輸入阻抗Rin可表示為各個(gè)模的GLC并聯(lián)諧振電路阻抗之 和[6]。據(jù)此，可將雙層貼片天線分為激勵(lì)貼片系統(tǒng)和耦合寄生貼片系統(tǒng)。參見(jiàn)圖5，與低頻耦合振蕩電路類(lèi)似，可把天線輸入阻抗等效為含有激勵(lì)系統(tǒng)和耦合寄生系統(tǒng)的雙峰諧振電路[7-8]。

圖5 天線輸入阻抗等效電路

參數(shù)G1、L1、C1分別為激勵(lì)單元的總自電導(dǎo)、自電感和自電容，參數(shù)G2、L2、C2分別為寄生單元的總自電導(dǎo)、自電感和自電容，Ce為互電容。上述參數(shù)值均可由經(jīng)典公式及模式展開(kāi)理論求得。

參見(jiàn)圖4，設(shè)激勵(lì)單元和寄生單元的諧振頻率分為f01和f02，則有：

式中：

由于設(shè)計(jì)的頻率范圍是3.40～4.20 GHz，參考式（3）～式（9），計(jì)算獲得一組滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的天線參數(shù)：寄生貼片邊長(zhǎng)a3=25.5 mm，寄生貼片厚度h3=0.9 mm，激勵(lì)貼片邊長(zhǎng)a4=24.2 mm，激勵(lì)貼片厚度h4=0.035 mm，激勵(lì)貼片介質(zhì)基板邊長(zhǎng)a5=30.8 mm，激勵(lì)貼片介質(zhì)基板厚度h5=2.2 mm，雙層貼片間空氣層厚度hair=6 mm，水平、垂直極化饋電點(diǎn)距離D01=D02=10.1 mm，介質(zhì)基板介電常數(shù)ε5=2.20（Rogers 5880）。

1.2.2 仿真計(jì)算及優(yōu)化

參考式（3）～式（9），計(jì)算求解得到天線各項(xiàng)參數(shù)，并通過(guò)HFSS15建模、仿真并優(yōu)化，最終確定寄生貼片邊長(zhǎng)a3=27 mm，激勵(lì)貼片基板邊長(zhǎng)a4=25 mm，饋電點(diǎn)距原點(diǎn)距離D01=D02=9.3 mm，其他各項(xiàng)參數(shù)不變。圖6為仿真優(yōu)化后的端口回波損耗曲線及部分典型頻點(diǎn)的輻射方向圖計(jì)算結(jié)果。在3.40～4.20 GHz頻帶范圍內(nèi)，相對(duì)阻抗帶寬達(dá)到21%（VSWR≤2）。

圖6 C頻段計(jì)算結(jié)果

2 測(cè)試結(jié)果

最終設(shè)計(jì)完成的微帶天線實(shí)物如圖7所示。在實(shí)驗(yàn)室及微波暗室內(nèi)對(duì)該天線的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖7 微帶天線實(shí)物

圖8 L頻段實(shí)測(cè)結(jié)果

圖9 C頻段實(shí)測(cè)結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合經(jīng)典公式、模式展開(kāi)理論以及仿真優(yōu)化，設(shè)計(jì)并加工了一套雙頻雙極化短路加載層疊式微帶天線。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，采用引入電感分量L的短路加載和雙層貼片形式等措施，有效拓寬了天線頻帶寬度，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致性較好，可供同類(lèi)型雙層或多層微帶天線借鑒。