一種超寬帶貼片天線的設(shè)計(jì)與研究

　　貼片天線設(shè)計(jì)方案

　　設(shè)計(jì)超寬帶貼片天線在一個(gè)材質(zhì)是FR4尺寸為35mm×35mm，厚度h為0.45mm，介電常數(shù)ε_r為4.4的介質(zhì)基板上。且由一個(gè)貼片和一個(gè)作為饋線的小貼片和接地板組成。貼片天線的結(jié)構(gòu)印制在RF4基板的一面，另一面是接地板，對(duì)接地面做了半圓形縫隙處理，改善了天線的輻射方向特性^[3]。又經(jīng)過對(duì)文獻(xiàn)^[4-7]的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行總結(jié)和擴(kuò)展，做了以下的設(shè)計(jì)，具體是在接地面開一個(gè)半徑R=12mm的小半圓縫隙。設(shè)計(jì)的貼片開槽結(jié)構(gòu)形似一個(gè)舊式飛機(jī)模型樣式，首先估計(jì)尺寸再經(jīng)過仿真優(yōu)化，如圖2(a)所示為仿真器繪制的貼片天線三維立體模型圖;天線模型尺寸結(jié)構(gòu)和物理量參數(shù)的描繪如圖2(b)(虛線部分為反向的接地板面);表1為設(shè)計(jì)之初貼片天線的各個(gè)物理量參數(shù)尺寸。

　　該設(shè)計(jì)的目標(biāo)旨在低于-10dB的回波損耗(S11)的情況下，天線能達(dá)到良好性能和較好帶寬。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，恰當(dāng)?shù)奶炀€幾何尺寸是必需的。因此，為了獲得最佳的回波損耗和阻抗帶寬，將對(duì)該天線的設(shè)計(jì)參數(shù)，如縫隙，貼片形狀和饋電寬度進(jìn)行研究和比較，使用Ansoft HFSS 12.0仿真軟件仿真，以使天線做到最佳的尺寸。

　　設(shè)計(jì)方案優(yōu)化前的回波損耗和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖如圖3所示。

　　由上圖可以看出，該天線的阻抗帶寬大致范圍為1.65~5.00GHz，并沒有達(dá)到超寬帶的要求，屬于窄帶天線。且由遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖看出天線所表現(xiàn)的全向性并不好，因此，下面將通過Ansoft HFSS仿真軟件對(duì)貼片天線的一些尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，力求達(dá)到超寬帶天線的要求。

　　優(yōu)化方案

　　對(duì)各個(gè)物理參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)置。經(jīng)過仿真分析，接地板寬度L4從10mm開始，隨著寬度的增加，帶寬越來越寬，當(dāng)L4達(dá)到13mm時(shí)，則它不再滿足超寬帶的特性，因而我們認(rèn)定當(dāng)L4=12mm時(shí)能夠獲得最佳的阻抗帶寬。改變橫縫隙的位置，讓它向著y軸正向移動(dòng)，距x軸的距離設(shè)為H，在L1變動(dòng)時(shí)，此時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)H=23mm時(shí)，阻抗帶寬范圍為2.25~11.5GHz，也由此得出H為23mm時(shí)是最適合的位置。研究表明豎條縫隙的位置對(duì)天線的回波阻抗的影響并不是很大，隨著其長(zhǎng)度的增大，阻抗帶寬也會(huì)有相應(yīng)的增加，所以選擇其長(zhǎng)度L9=15mm能夠滿足最佳的天線性能。我們又改變了L7長(zhǎng)度的大小來觀察天線的回波損耗得出了當(dāng)L7=6mm時(shí)，天線能夠表現(xiàn)出最佳的回波損耗性能。實(shí)驗(yàn)中又試著再改變L10的大小，當(dāng)L10=2mm時(shí)，天線能夠表現(xiàn)出最佳的回波損耗性能。并且還得出了隨著L10的增加，天線的阻抗帶寬也隨著增加的結(jié)論。接下來改變寬度W的大小，觀察總結(jié)出當(dāng)W=1mm時(shí)，天線能夠表現(xiàn)出最佳的回波損耗性能。且隨著W的增加，天線的回波損耗越來越差，阻抗帶寬也越來越小。最后討論小半圓半徑R對(duì)天線回波損耗的影響，得出當(dāng)R=11mm時(shí)，天線能夠表現(xiàn)出最佳的性能。且隨著R的增加，天線的回波損耗變得越來越差。經(jīng)過對(duì)天線設(shè)計(jì)參數(shù)的仿真與細(xì)致研究，我們得出最終的優(yōu)化的結(jié)果，各項(xiàng)物理參數(shù)如表2所示。