一种宽带低轮廓高增益背腔缝隙天线

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        1 引言

        从微带缝隙天线的概念被提出以来,由于它剖面薄、重量轻、可与载体共形、易与有源器件集成等优点,已被广泛应用于航空、航天器通信、导航等领域。另一方面，随着通讯技术的发展，希望个人通信中的天线具备宽带低轮廓特点，以使天线可以与建筑内的装饰物相结合，实现所谓的“美化天线”的要求，在此方面，低轮廓的缝隙天线也有应用空间。为实现微带缝隙天线的单向辐射，一般需采用半波长高度的背腔来实现。近年来的工作提供了一些有效的降低背腔尺寸的方法，例如采用介质加载或电磁带隙结构。文献则给出一种超低尺寸的背腔结构的微带缝隙天线，其背腔高度仅为约0.025波长。在缝隙天线的宽带化方面，也有许多引人瞩目的工作。
         
        本文在上述工作的基础上，提出了一种新型的天线结构，即在所诉及的超低尺寸背腔缝隙天线上部加入开窗的金属贴片，从而进一步控制天线的带宽、方向图与增益，实现了宽带高增益设计。
         
        2  天线结构

        天线结构如下图1所示，天线制作在相对介电常数为2.55厚度为1mm的聚四氟乙烯介质基片上。在介质基片一面的金属板上开一缝隙，另一面采用50欧姆微带线馈电，微带线在缝隙处通过过孔与开缝金属板短路。开缝面下方为背腔结构，而在馈电面上部加上一开窗的金属贴片。背腔内、开窗金属片与介质基片之间均无介质填充。
         

       

        图1  天线结构俯视与前视图

         
        设计中，通过调整各参数可以获得需要的方向图特性与阻抗特性。在各个参数中，背腔的长度Ca、开窗贴片的长度a这两个参数对天线特性影响较小，可事先选定。选取准则为Ca约为最低频率对应的波长，而开窗贴片长度a可充分覆盖缝隙即可。
         
        3  设计与仿真

        使用Ansoft公司的电磁仿真软件HFSS可以对上述结构进行仿真分析与优化设计。在设计中，可首先根据文献与经验确定各参数的初始值。初始值的确定可遵循下述方式：
        天线的工作频段为DCS频段，因此设计时中心频率设定为1.8GHz，其对应的自由空间波长为167mm。因此，参照文献的结果，L可选取为中心频率波长，即167mm，W选为5mm，Ca可选为180mm，Cb为100mm，Wa、Wb分别选择100mm与50mm，a、b则分别取为220mm与150mm，H1、H2均选为5mm。
         
        在上述参数的基础上，使用HFSS进行优化设计即可获得较为理想的天线参数。优化过程中可以发现，开窗的大小会对天线的辐射方向性影响较大，开窗过大或过小，天线都不能在Z轴正上方（坐标如图1）获得理想的增益。而缝隙长度L则主要影响天线整个频带内增益的起伏。当其他参数固定，而L在一个波长附近变化时，可以发现L越大，则频率高端增益越好，反之，L越小则低端增益越高。缝隙带度W与开窗宽度Wb、背腔宽度Cb对天线的阻抗特性影响较大。例如，缝隙越宽则天线的阻抗带宽越宽，然而其带内驻波比则相应增大，反之，则阻抗带宽变窄而带内驻波比减小。根据这些规律，可以有目的调整各个参数，最后对开窗贴片的高度H1、背腔高度H2进行微调即可实现理想的方向图与阻抗特性。
         
        4. 仿真结果与分析

        最后，经过仿真分析，确定的尺寸参数为：
        a=220mm,b=180mm,Wa=86mm,Wb=40mm,L=165mm,W=3.8mm,Ca=180mm,Cb=96mm,H1=4.8mm，H2=5mm。
        仿真获得的天线阻抗特性如图2所示。此处，我们将HFSS仿真获得的结果与另外一种电磁仿真软件CST Microwave Studio 仿真获得的结果进行了对比，发现二者基本一致，证实了仿真结果的可靠性。仿真结果显示，在1.7－2.05GHz频段，天线VSWR<2.5，具备较好的宽带特性，可完全覆盖DCS频段。
         

         

        图2  天线驻波比特性

         
        图3给出了天线在各个频率上仿真获得的辐射方向图。结果显示天线在此频段可以获得最高11.2最低8.5dB的增益。
         
        同时，仿真中还发现，通过改变开窗贴片上开窗尺寸与位置，可以在一定频率范围内控制天线的波束指向。此时天线的阻抗特性变化并不太大，然而，其他频率上的方向图明显变化。例如图4、5给出了天线其他尺寸不变，仅开窗贴片正x方向完全敞开时的方向图与阻抗特性。可以看到在1.79-1.82GHz范围内天线波束指向明显偏转，但增益仍然保持较高，而其他频率则方向图变化剧烈。
         

       

        (a) xoz平面增益方向图

       

        (b) yoz平面增益方向图

        图3  天线增益方向图

       

        图4  正x轴方向完全开窗时xoz平面方向图

       

        图5  开窗贴片正x方向完全敞开时驻波比特性

         
        5  结论

        给出了一种宽带高增益背腔缝隙天线的设计。所设计的天线在1.7-2.05GHz频段可获得VSWR<2.5的阻抗特性，且在整个频率范围内,天线增益大于8.5dB，最大增益达11.2dB。同时，发现通过改变开窗的形状与尺寸可以一定程度上控制天线的波束指向。由于时间关系，尚未获得天线的实测结果，另外对天线波束指向的控制尚待进一步研究。这将作为本文下一步的工作。