嵌入馈电微带贴片天线的设计

 

　　通过采用简单明了的传输线模型，建立微带线嵌入馈电(inset-fed)贴片天线的精确模型并对之进行分析已成为可能。

　　外形小、成本低的天线可用于许多现代通信系统中。微带贴片天线代表一系列的小型天线，它们具有等角性质和已与通信系统的印刷电路集成在一起的优点。通过采用简单明了的传输线模型，建立微带线嵌入馈电(inset-fed)贴片天线的精确模型并对之进行分析已成为可能。另外，通过应用曲线拟合公式，也可以确定50Ω输入阻抗所需的精确嵌入长度。

　　馈电机制在微带贴片天线设计中扮演了重要角色。微带天线可以由同轴探针或嵌入的微带线来馈电，同轴探针馈电在有源天线应用中具有优势，而微带线馈电则是适合于开发高增益微带阵列天线。对于这两种情况，探针的位置或嵌入的长度都将决定输入阻抗的大小。

　　已通过各种各样的模型，包括传输线模型和空腔模型，以及通过全波分析对同轴探针馈电的贴片天线分输入阻抗特性进行了分析。无论从实验上还是从理论上，都证明了同轴探针馈电贴片天线的输入阻抗特性遵守三角函数：cos2[π(y0/L)]，其中，L等于贴片长度，y0等于从边缘沿着贴片长度L方向的馈电位置。

　　另一方面，从实验上也证明在低介电常数材料上，嵌入馈电的探针天线的输入阻抗表现为以下函数的4阶特性：cos4[π(y0/L)]。

　　

 

　　幸运的是，现已开发出一种简单的分析方法，该方法利用传输线模型来获得嵌入馈电微带贴片天线的输入阻抗。利用这种方法，在使用现代薄介电电路板材料时，可引用曲线拟合公式来确定嵌入长度，以便实现50Ω的输入阻抗。

　　

 

　　图1是嵌入馈电微带贴片天线的图示。参数εr、h、L、W、w< SUB >f< /SUB >和y0分别代表基板的介电常数、厚度、贴片长度、贴片宽度、馈线宽度和馈线嵌入距离。嵌入馈电微带贴片天线的输入阻抗主要取决于嵌入距离y0，并在某种程度上取决于嵌入宽度(馈线与贴片导线之间的间距)。嵌入长度的变化不会在谐振频率上产生任何改变，但是嵌入宽度的变化却会导致谐振频率的改变。因此，在下面的讨论中，贴片导线与馈线之间的间距是保持不变，等于馈线宽度。在与嵌入长度有关的谐振频率下的输入阻抗的变化，将在下列讨论中被看作各种参数的函数。

　　假设贴片天线可分成四个区域，那么可将它建模成一系列带有不同长度辐射槽的传输线(图2)，表中列举了这三个传输线的参数(宽度和长度)和这三个辐射槽的宽度和长度。

　　

 

　　根据早期提出的方法，对一个具有εr=2.42、h=0.127cm、w=4.04cm、L=5.94cm和y0=0.99cm参数的贴片天线进行了分析。图3显示了采用这里所提到的传输线模型方法所得到的结果，并将它与采用商用计算机辅助工程电磁(EM)仿真器得到的数据进行了比较。即使谐振频率有点漂移，传输线模型还是能非常接近地跟踪EM仿真器预测的回波损耗曲线。谐振频率上的这个微小漂移，是由于没有考虑嵌入馈线与贴片之间的不连续性而导致的。

　　

 

　　

 

　　在各种εr (2 ≤εr ≤10)值下利用传输线模型对贴片进行参数研究。图4表明了在边缘(y0=0)处，由微带线馈电的矩形微带贴片天线具有更高的输入阻抗，对于不同的εr值，其变化大约从150到450Ω。另外从中也可以观察到，与同轴探针馈电的贴片天线相比，当嵌入位置从贴片边缘向中心移动时，输入阻抗迅速下降。这些参数的研究已被用来推导如式(1)的曲线拟合公式，以便确定精确的嵌入长度，从而为通常使用的薄介电基板上实现50Ω输入阻抗。

　　

 

　　用εr=5.0、h=0.127cm、W=4.1325cm、L=2.8106cm、y0=0.9009cm的贴片天线对该公式的精确性已进行了验证。为确认公式的有效性，采用EM仿真器对贴片进行分析。图5给出了由传输线模型产生的结果与EM仿真器预测结果之间的对比。尽管在这两组数据中谐振频率有1%的偏移，但用这两种方法预测的回波损耗曲线还是具有很明显的紧密一致性。