一种新型S波段宽带圆形贴片天线的设计

摘要：采用HFSS11电磁场仿真软件设计和仿真了一种工作于S波段的新型宽带圆形微带贴片天线。天线采用聚四氟乙烯和空气两层介质，通过同轴探针顶部加载圆形金属电容片来对辐射贴片进行耦合馈电，由此补偿探针引起的电感；同时，在圆形贴片上开圆弧形缝隙，以生成第二个谐振点，从而进一步增大带宽。结果表明，天线的阻抗带宽达到了38％(VSWR<2)，并且在带宽内天线的辐射方向图基本保持稳定。
关键词：宽频带；圆形贴片天线；电容补偿；圆弧形缝隙

0 引言
    微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线，它具有剖面薄，体积小，重量轻，容易实现多频段等优点。但微带天线有其固有缺陷，即宽带比较窄，一般只有5％左右。因此，展宽微带天线的带宽具有十分重要的意义。目前，随着微带天线的应用越来越广，对于如何展宽天线的带宽已经出现了很多有效的方法，其基本方法有以下几种：
    (1)增大微带介质的厚度；
    (2)降低微带介质的介电常数；
    (3)采用有耗介质；
    (4)附加阻抗匹配网络等。
    前两种方法制作起来比较简单，容易加工；第三种方法以天线增益的降低为代价；第四种方法需要设计宽带匹配电路，电路结构复杂，制作难度大。
    本文设计了一种新型天线，该天线采用较厚的空气层与较薄的聚四氟乙烯双层介质，在前两种方法的基础上又利用金属电容片补偿同轴探针馈电时所引入的电感，同时在辐射贴片上开缝形成双峰谐振，进一步拓展了天线的带宽。文中对本天线，采用同轴探针直接馈电的天线与仅采用电容补偿馈电的天线的带宽进行了比较。对微带天线进行计算与仿真，调节圆弧形缝隙的位置与长度，可以使单个圆形贴片的阻抗带宽在S波段内达到38％甚至更高，满足了现代通信对天线带宽的要求。

1 微带天线的模型结构
    微带贴片天线的模型结构如图1和图2所示，辐射贴片与接地板之间的介质由两部分组成，下层为空气介质，其厚度为h1，上层是聚四氟乙烯，厚度为h2，并且h1远大于h2，这样的组合既可以增大介质层的厚度，又可以等效降低相对介电常数。

    与传统探针直接馈电不同，本天线在探针顶部加载了一个小的圆形金属贴片对上层的辐射贴片进行耦合馈电，电容片的半径为R，位置处于两层介质的交界面上。顶层的辐射贴片并没有采用普通的圆形贴片，而是在其适当的位置开了一个圆弧形槽。辐射贴片的半径为R_out，圆弧槽的外半径为R_slot，宽度为d_slot，两端口之间的距离为W，馈电同轴探针距离贴片圆心的水平距离为feed。
2 微带天线的理论分析
    圆形微带天线的谐振频率可近似用下式表示：
   
    式中：a为圆形贴片的半径；εr为介质的有效介电常数。
    通常情况下，对于同轴探针馈电的微带贴片天线，介质层厚度的增加会导致由探针引起的电感增大，从而恶化天线馈电点的输入阻抗，可对探针引起的电感进行补偿。微带天线的输入阻抗和馈电探针的电感可以表示为：
   
    式中：XL为探针引出的电感；η和k分别是特性阻抗和介质中的波数；d为探针的直径。为了补偿电感，在探针顶部串联一个电容，并使其满足谐振条件：
   
    这样就可以有效地优化天线馈电点处的阻抗，展宽其阻抗带宽。
    在辐射贴片上开缝可以在很大程度上影响天线的谐振特性，如果缝隙的谐振频率与贴片的谐振频率相差不远的话，天线的阻抗带宽则很有可能被展宽，常见的矩形贴片加载U形槽的形式就可以极大地展宽天线带宽。本天线采用圆形贴片加载圆弧缝隙，也可以实现这一点，下文将会具体分析到电容贴片和缝隙对天线谐振特性的影响。

3 微带天线的相关尺寸及谐振特性
    采用式(1)计算出天线谐振频率在2．5 GHz时的圆形贴片半径为21．5 mm，调整R_out=23 mm，经过仿真得出馈电点的位置feed=6 mm，馈电圆盘的半径R=2．4 mm，圆弧形缝隙的R_slot=16 mm，d_slot=2 mm，W=20 mm。
    图3显示了本天线与其他两种不同结构的圆形微带天线的S11参数，调整圆形贴片的半径使其谐振频率都在2.5GHz左右，由图中可以看出：

    (1)直接采用探针馈电的圆形微带天线的带宽很窄，S11曲线低于-10 dB的范围仅为50 MHz；
    (2)采用双层介质结构，探针加载圆盘电容补偿馈电的微带天线带宽大约在400 MHz；
    (3)在第二种天线的设计基础上，在圆形贴片上加载缝隙，即本天线的设计，可以使天线出现第二个谐振点，谐振频率在3．1 GHz，从而可使阻抗带宽达到1 GHz甚至更多。
3．1 馈电圆盘的半径对天线的影响
    探针顶部加载圆盘可以直接补偿探针引出的电感，因此圆盘半径R对天线的谐振特性有很大的影响。由图4可见，当R由小变大时，第一谐振点(2．5 GHz)的位置基本不变，但是谐振深度会减小；第二谐振点的位置会往左移动，同时谐振深度增加。

3．2 辐射贴片上缝隙的位置对天线的影响
    贴片上的圆弧形缝隙是产生第二谐振点的直接原因。由图5可见，R_slot=14 mm时，第二谐振点约在3．35 GHz；R_slot=16 mm时，第二谐振点在3．1 GHz；R_slot=18 mm时，第二谐振点在2．9GHz，但是已经很不明显。结论是随着R_slot的变大，第二谐振点的频率越来越小。

4 微带天线的带宽和方向图
    采用上述各个参数的尺寸，可以得到图6所示的电压驻波比VSWR。很明显，VSWR<2的频带范围大致从2.3～3.4GHz，相对带宽达到38％。

    频率为2．5 GHz时，天线的方向图如图7所示，最大增益方向在天线的正上方，约为7．7 dB。

    为了查看在阻抗带宽内天线的方向图有没有发生畸变，图8列出了天线在2．4GHz，2．7GHz，3GHz和3．4GHz时H面4个频点的方向图。可以看出，在很宽的阻抗带宽内，天线在很大角度内的方向图基本上保持稳定。

5 结 论
    综上所述，针对传统微带贴片天线带宽较窄的缺点，本文在增大介质厚度与降低介质介电常数的基础上，采用探针顶部加载电容耦合馈电、在辐射圆形贴片上开圆弧形槽的方法，大幅度增大了微带天线的带宽，使之在S波段内带宽达到了38％，且方向图具有良好的稳定特性，可为工程实际提供参考。