带空气层的宽带微带天线的分析与设计

1 引言

微带天线，作为20世纪70年代研究成功的一种新型天线，以其结构简单、重量轻、低剖面、易于与飞行器表面共形安装和可与微带电路集成等优点，在移动通信、航空航天、电子对抗及雷达等领域得到了广泛的应用。但微带天线也因其增益低、频带窄（通常带宽只有（0.7%—7%）等缺陷限制了它的应用范围。随着军事通信、移动通信中跳频、扩频通信技术的发展，要求天线在瞬时频率上宽带化显得越来越迫切，特别是我国目前处于2G-3G的过渡阶段，移动通信用户的急剧增长，使得通信系统不断更新和扩容。为减小无线通信中的干扰并降低成本，要求天线在宽频带内工作。因此，微带天线的宽频带技术的研究已经成为一个迫切的研究课题。

目前，微带天线的宽频带技术主要有：增加介质基片厚度，减小介质介电常数；修改等效电路，如附加寄生贴片、采用电磁耦合馈电等；附加阻抗匹配网络；改变辐射板形状，如采用分形结构或曲边结构等Chang， Long和Richards等人通过实验用增加基片厚度的方法得到了20%的天线工作频带宽度。Purchine， Aberie 和Birtcher等人把微带天线看成是一个谐振电路，在微带天线的辐射板和接地板之间并接一个变容二极管，用微处理器控制改变加到变容二极管上的反向偏压，应用调谐方法可以在1.55GHz—1.93GHz（相当于22%）的频带宽度上连续工作。An.Nanwelaers和Capelle在微带天线输入端与微带线馈线之间加一个电抗匹配网络，可以得到16.82%的天线工作频带。Fang Yang 和Xue Xia Zhang等人采用E形贴片天线在无线通信频率范围内的带宽可以达到30.3%。

由此可见，展宽微带天线的带宽已经取得了很大进展，但上面的方法也存在不足。如采用厚基片的微带天线会造成表面波效应明显增加，且天线的体积及重量也会随之增大；采用阻抗匹配网络或是通过修改等效电路的方法则会带来理论上分析的复杂性和天线制作困难等问题；此外，通过改变辐射板形状的方法会对天线制造公差提出更高的要求。基于以上分析，本文采用引入空气层的方法有效地展宽了天线的工作频段，天线在整个工作频带内具有良好的辐射特性，且该天线的结构简单，易于制作。

2 设计原理

本文拟设计的双频微带天线工作于S波段（2.0GHz—4.0GHz）的频率范围内，其设计指标为：

（1）工作中心频率3.0GHz：

（2）驻波比VSWR≤2.0；

（3）天线相对带宽BW≥10%在普通矩形微带天线的设计中，可以根据所要求的带宽及增益，来确定介质板的材料及厚度。一般可以给根据天线所工作的中心频率，由以下两式求出辐射片的尺寸：

， （1）

， （2）

（3）

其中W和L分别为辐射单元的宽度和长度，为线伸长量，为介质等效介电常数。

由于本文采用带空气层的双层微带天线，故可以通过腔模理论计算出介质层的等效介电常数公式如下：

， （4）

其中为空气层厚度，为介质层厚度，为介质介电常数。

当时，微带天线的带宽的经验公式可以表示为：

，（5）

其中为中心频率，为介质基板厚度。

为了获得宽频特性，应该采用介电常数相对较小的介质作为基板。此处我们所采用的介质为Rogers RT/duroid 5880（相对介电常数，损耗角正切）。从理论上来说，接地板可以视为无限大，然而在实际工程设计中，考虑到天线安装尺寸、重量及其成本方面的诸多因素，接地板尺寸应尽可能的小。在实际工程应用中，当地板宽度满足时，即可将地板视为无限大。

结合以上各种因素，最终设计的天线尺寸为：

辐射板尺寸：；

接地板尺寸：；

天线厚度：，其中空气层厚度为2mm，介质层厚度为1mm。

天线的设计图形如下图1所示：

图1 天线俯视图及侧视图

3 天线的仿真分析

利用HFSS 10.0对上述天线进行仿真，可以得到天线的回波损耗图、电压驻波比（VSWR）图及天线的辐射方向图形分别如下所示：

图2 天线回波损耗仿真图

图3 天线驻波比图

图4 天线辐射方向图（）

图5 天线辐射方向图（）

图6 天线辐射方向图（）

图7 天线辐射方向图（）

由图2和图3中可以看出，在时，天线的工作频率为2.97GHz-3.94GHz，其相对带宽达到了28.12%，满足了天线宽频工作的要求。

从天线方向图（E面为蓝色，H面为红色）可以看出，当天线谐振频率为3.1GHz时，天线的主辐射方向为，此时天线的增益为9.280dB，天线的后向辐射较小（-6.981 dB），其前后比约为16.261dB。

在天线工作频段内，当频率分别为3.0GHz、3.7gGHz和3.9GHz时，天线辐射方向图与谐振频率处的基本一致，说明天线在整个工作频段内具有良好的辐射特性。

由于天线接地板尺寸有限，不满足可以视为无限大的条件，故天线存在后向辐射。在天线所占用的空间要求不严格的情况下，可以通过采用适当增大接地板尺寸的方法来降低天线的后向辐射。

为了说明所设计的天线性能的优越性，我们将其与普通单层微带天线进行了对比。对普通单层微带天线进行了仿真，其回损图、驻波比图及谐振频率点的辐射方向图如下：

图8 普通天线回波损耗仿真图

图9 普通天线驻波比仿真图

图10 普通天线辐射方向图（）

图11 天线辐射方向图（）

从图8和图9可以看出，普通单层微带天线的工作频段分别为2.92～０3.24GHz和3.46～3.88GHz，其相对带宽为 10.39% 和11.44% ，天线在3.25～3.45GHz频段内的阻抗匹配欠佳。可见，采用带空气层的双层微带天线有效地改善了天线的阻抗匹配，天线的工作带宽明显大于普通单层微带天线的带宽。从图10和图11可知，普通微带天线的辐射特性与带空气层的微带天线的辐射特性基本相同。

通过以上分析我们可以得出，带空气层的微带天线整体性能良好。该天线在保证宽带工作的同时，天线具有很高的增益，且其后向辐射很低。

4 结语

本文采用带空气层的微带天线来实现了天线的宽频工作特性，并将该天线与普通单层微带天线进行了仿真分析对比。通过仿真结果分析表明，天线在保证宽带工作的前提下，天线在整个工作频段内的辐射特性良好。此外，所设计的天线结构简单，方便制作，在一定程度上减轻了天线的重量，从而节约了天线成本，在天线工程中具有良好的应用前景。