一種Ku波段寬頻帶微帶天線的仿真設計

1 引言

微帶天線由于其體積小、重量輕、剖面低、易于和載體共形、及易于加工和電路集成等諸多優(yōu)點，在通信和雷達領域得到了廣泛的應用。但是其固有的頻帶窄，一般典型微帶天線的帶寬在0.7%到7%左右，功率容量低，限制了其應用。近年來許多國內外的天線工作者在圍繞如何展寬微帶天線的帶寬上做了大量的研究，也取得了顯著的成果，具體可以歸納為以下幾種方法：1增加介質基板的厚度，降低介質的介電常數(shù)；2對饋電電路采用寬帶阻抗匹配（如采用阻抗匹配電路或開縫耦合饋電等）；3采用層疊貼片實現(xiàn)多貼片諧振；4采用開槽加載技術；5修改貼片形狀；6新型基片材料的使用。在通常情況下，可以采用多種方法相結合的方法，這樣往往能夠取得比較好的效果。

在諸多方法中采用口徑耦合饋電擴展微帶天線的帶寬是比較成功的一種方法。這種耦合饋電的方法最早是由Pozar于1985年提出的，與傳統(tǒng)的同軸饋電或側饋相比，縫隙耦合饋電結構的主要優(yōu)點是，這種饋電結構更適合電路的集成；由于采用了不共面的設計，由地面把輻射部分和饋電結構隔開，減少或消除了饋電結構對天線方向圖的寄生輻射影響，能獲得寬頻帶的駐波比特性。Vivek通過實驗的方法研究了幾種開不同的耦合槽對天線耦合量的影響，實驗證明開H型耦合槽可以得到較大的耦合量，開H形槽耦合的微帶天線一般可以獲得10%(VSWR2)左右的相對帶寬,而且具有良好的交叉極化性能。文獻使用了H型槽耦合饋電達到了寬頻帶和高增益的較好效果。通過修改H型槽從而獲得了良好的極化效果和寬頻帶特性。此外，改進了H型耦合饋電的結構，在H型槽耦合饋電的基礎上，在輻射貼片上也開H型槽，增強了饋線與貼片之間的耦合，從而擴展了天線的帶寬。

在以上的研究基礎上，本文采用了H型槽耦合饋電，并在輻射貼片邊緣處開縫的結構，以實現(xiàn)較寬頻帶的阻抗帶寬。通過仿真發(fā)現(xiàn)該種新結構的微帶天線在中心頻率14.5GHz能夠達到39.8%的阻抗相對帶寬（S11-10db）。表明該結構能夠有效地展寬微帶天線的帶寬。

2 天線結構設計

這種寬頻帶微帶天線結構如圖1所示，圖1(a)是天線的側視圖，它是由四層介質和貼片構成的。其中第二層介質Foam是介電常數(shù)為1.0006的泡沫塑料，其他三層介質均是介電常數(shù)為2.2的Rogers RT/duroid 5880 (tm)材料，er0=er2=er3=2.2，er1=1.0006。天線最上方的一層Radome是由介質板構成的天線罩，用來保護天線表面，它對天線的方向圖、輻射效率、增益都略有影響。

天線的主體是由中間的兩層介質板組成，如圖1(a)所示。Foam是一層介電常數(shù)很低的泡沫塑料，對輻射貼片起支撐作用。增加該層介質基板的厚度H1，減小其介電常數(shù)er1均能起到增加微帶天線的阻抗帶寬的效果，但是厚度增加會使貼片與縫隙之間的耦合減弱，表面波增強，而且天線的尺寸增大，所以在實際設計時需要綜合考慮。Foam上附著的是矩形輻射貼片，如圖1(b)所示。輻射貼片的長度L1決定了天線的諧振頻率，由于縫隙耦合使得諧振長度與理論值有較大的出入，因此在設計時要把耦合縫隙的尺寸和貼片的尺寸結合起來考慮。寬度W1對方向圖、頻帶寬度和輻射效率都有影響，當寬度取大時對頻帶、效率和阻抗匹配都有利，但是當W1大于一定值時會產生高次模，引起場的畸變。理論研究表明當輻射貼片的寬度是長度的2倍時，阻抗帶寬能增加1.6倍左右。

本文在設計時利用了高次模的影響，取寬度接近于長度的2倍，具體的尺寸在仿真優(yōu)化時可以得到。我們在貼片的邊緣處分別開了矩形窄縫，因為縫隙很窄且靠近貼片的輻射邊緣， 所以他對貼片自身的諧振頻率點幾乎沒有影響，然而由于窄縫的存在，其自身相當于一個縫隙輻射器，又能得到一個新的諧振頻點，并且該頻點是由縫隙的長度決 定，當這兩個諧振頻率點拉的很近時，就起到了擴展帶寬的效果。