小地板上小型化宽频带半U型槽微带天线

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        1  引言

          微带天线，由于其重量轻，尺寸小的优点，已经被广泛的使用在各种场合。然而，众所周知，传统微带天线的带宽很窄，只有大约5%左右，严重影响了微带天线在宽带领域的应用。众多学者为解决这个问题提出了很多有用的设计方案来提高微带天线的带宽。这些技术主要有：宽带阻抗匹配网络技术，叠层或平面结构中的多谐振频率技术，U型槽加载，容性探针馈电，和L型探针馈电，E型微带贴片天线。带V型槽的矩形微带天线。
           
          一般情况下，传统的矩形微带贴片天线的阻抗带宽约为5%左右。然而,增加介质底板的厚度, 可以一定程度上增加天线的阻抗带宽。但是随着馈电探针的增长，天线的馈电端口处的感性也会逐渐增大，从而造成端口处阻抗失配导致天线带宽降低。如果在天线上刻槽则可以引入附加电容从而抵消探针加长的电感效应，使得天线端口获得良好的匹配。而且槽的存在还能够产生另外一个谐振频率，只要适当的调节槽的位置和长度，使得槽的谐振频率接近天线的谐振频率则可以进一步增大天线的阻抗带宽。
           
        2  天线结构

          该天线的设计要求地板大小为1cm*1cm，带宽要求>10％，中心频率在9.6GHZ。结合微带天线的知识我们知道：9.6GHZ的中心频率对应的真空波长为3.125cm，半波长则为1.5625cm。当使用等效介电常数为2.5的衬底材料时,等效介质中的半波长约为1cm。本文在u型微带贴片的基础上，取u型天线的一半来设计，即简化了设计参数又减小了贴片天线的尺寸，天线带宽在20%以上，贴片大小在1平方厘米以内，探针馈电，中心频率交叉极化-10 dBi左右，增益2dBi左右。天线的单元设计和参数优化均使用商业软件ZELAND IE3D。微带天线的衬底介质e=2.5，介质厚度h=2mm, 损耗角正切tans=0.0015。天线结构实物图如图1所示。
           

       

        图1  半U型开槽微带贴片天线实物图

         

       

        图2  半U型开槽微带贴片天线仿真S11

         

       

        图3  半U型开槽微带贴片天线中心频率方向图

         

       

        图4  半U型开槽微带贴片天线实测带宽(25.5%)。

       

        ψ=0

       

        ψ=90

        图5  半U型开槽微带贴片天线中心频率实测方向图

          图2为该天线结构在商业软件ZELAND IE3D中建模分析的阻抗特性曲线。从图中可以看出天线电磁仿真的相对带宽为24%。图3为该天线结构在商业软件ZELAND IE3D中建模分析的中心频率的远场辐射方向图的结果。图4为该天线的阻抗特性曲线，从图中可以看出该天线的实测阻抗特性曲线形状同图2中有些区别，但是就整个带宽范围而言变化不大，估计产生原因应该是仿真模型和实测模型在馈电部分的差异造成的，由于贴片结构并无变化，所以个带宽范围并没有较大变化。
           
          实测的天线阻抗带宽约为25.5%。图5为该天线的实测中心频率处的远场方向图。同图3的比较可以看出ZELAND IE3D的仿真结果较为平滑，图5中的实测天线方向图有稍微的波动，就其原因我们认为是ZELAND IE3D的计算是基于GREEN函数的分层介质模型，由于介质没有截断，仿真得到的远场方向图中没有表面波在介质截断面处的辐射贡献，所以得到的仿真方向图结果较为平滑。而实测结果中既包含了天线本身的辐射又叠加了介质截断面处表面波的辐射，所以波瓣出现了稍微的波动，同时测量误差也是造成波瓣出现了波动的原因之一。
           
        3  结论

          半U型槽的微带贴片天线有25.5%的带宽较传统微带天线的带宽提高了5倍以上，并且在地板和天线尺寸几乎相同的情况下天线增益达到了2dBi以上，且结构上比较简单，加工比较方便，是一种较好小型化宽频带天线形式。