1 引言

微帶天線，由于其重量輕，尺寸小的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛的使用在各種場(chǎng)合。然而，眾所周知，傳統(tǒng)微帶天線的帶寬很窄，只有大約5%左右，嚴(yán)重影響了微帶天線在寬帶領(lǐng)域的應(yīng)用。眾多學(xué)者為解決這個(gè)問題提出了很多有用的設(shè)計(jì)方案來提高微帶天線的帶寬。這些技術(shù)主要有：寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，疊層或平面結(jié)構(gòu)中的多諧振頻率技術(shù)，U型槽加載，容性探針饋電，和L型探針饋電，E型微帶貼片天線。帶V型槽的矩形微帶天線。

一般情況下，傳統(tǒng)的矩形微帶貼片天線的阻抗帶寬約為5%左右。然而,增加介質(zhì)底板的厚度, 可以一定程度上增加天線的阻抗帶寬。但是隨著饋電探針的增長(zhǎng)，天線的饋電端口處的感性也會(huì)逐漸增大，從而造成端口處阻抗失配導(dǎo)致天線帶寬降低。如果在天線上刻槽則可以引入附加電容從而抵消探針加長(zhǎng)的電感效應(yīng)，使得天線端口獲得良好的匹配。而且槽的存在還能夠產(chǎn)生另外一個(gè)諧振頻率，只要適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)槽的位置和長(zhǎng)度，使得槽的諧振頻率接近天線的諧振頻率則可以進(jìn)一步增大天線的阻抗帶寬。

2 天線結(jié)構(gòu)

該天線的設(shè)計(jì)要求地板大小為1cm*1cm，帶寬要求>10％，中心頻率在9.6GHZ。結(jié)合微帶天線的知識(shí)我們知道：9.6GHZ的中心頻率對(duì)應(yīng)的真空波長(zhǎng)為3.125cm，半波長(zhǎng)則為1.5625cm。當(dāng)使用等效介電常數(shù)為2.5的襯底材料時(shí),等效介質(zhì)中的半波長(zhǎng)約為1cm。本文在u型微帶貼片的基礎(chǔ)上，取u型天線的一半來設(shè)計(jì)，即簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)參數(shù)又減小了貼片天線的尺寸，天線帶寬在20%以上，貼片大小在1平方厘米以內(nèi)，探針饋電，中心頻率交叉極化-10 dBi左右，增益2dBi左右。天線的單元設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化均使用商業(yè)軟件ZELAND IE3D。微帶天線的襯底介質(zhì)e=2.5，介質(zhì)厚度h=2mm, 損耗角正切tans=0.0015。天線結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 半U(xiǎn)型開槽微帶貼片天線實(shí)物圖

圖2 半U(xiǎn)型開槽微帶貼片天線仿真S11

圖3 半U(xiǎn)型開槽微帶貼片天線中心頻率方向圖

圖4 半U(xiǎn)型開槽微帶貼片天線實(shí)測(cè)帶寬(25.5%)。

ψ=0

ψ=90

圖5 半U(xiǎn)型開槽微帶貼片天線中心頻率實(shí)測(cè)方向圖

圖2為該天線結(jié)構(gòu)在商業(yè)軟件ZELAND IE3D中建模分析的阻抗特性曲線。從圖中可以看出天線電磁仿真的相對(duì)帶寬為24%。圖3為該天線結(jié)構(gòu)在商業(yè)軟件ZELAND IE3D中建模分析的中心頻率的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖的結(jié)果。圖4為該天線的阻抗特性曲線，從圖中可以看出該天線的實(shí)測(cè)阻抗特性曲線形狀同圖2中有些區(qū)別，但是就整個(gè)帶寬范圍而言變化不大，估計(jì)產(chǎn)生原因應(yīng)該是仿真模型和實(shí)測(cè)模型在饋電部分的差異造成的，由于貼片結(jié)構(gòu)并無變化，所以個(gè)帶寬范圍并沒有較大變化。

實(shí)測(cè)的天線阻抗帶寬約為25.5%。圖5為該天線的實(shí)測(cè)中心頻率處的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。同圖3的比較可以看出ZELAND IE3D的仿真結(jié)果較為平滑，圖5中的實(shí)測(cè)天線方向圖有稍微的波動(dòng)，就其原因我們認(rèn)為是ZELAND IE3D的計(jì)算是基于GREEN函數(shù)的分層介質(zhì)模型，由于介質(zhì)沒有截?cái)啵抡娴玫降倪h(yuǎn)場(chǎng)方向圖中沒有表面波在介質(zhì)截?cái)嗝嫣幍妮椛湄暙I(xiàn)，所以得到的仿真方向圖結(jié)果較為平滑。而實(shí)測(cè)結(jié)果中既包含了天線本身的輻射又疊加了介質(zhì)截?cái)嗝嫣幈砻娌ǖ妮椛?，所以波瓣出現(xiàn)了稍微的波動(dòng)，同時(shí)測(cè)量誤差也是造成波瓣出現(xiàn)了波動(dòng)的原因之一。

3 結(jié)論

半U(xiǎn)型槽的微帶貼片天線有25.5%的帶寬較傳統(tǒng)微帶天線的帶寬提高了5倍以上，并且在地板和天線尺寸幾乎相同的情況下天線增益達(dá)到了2dBi以上，且結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，加工比較方便，是一種較好小型化寬頻帶天線形式。