矩形宽带微带天线的设计

0 引 言

20 世纪 70 年代初期，人们成功研制出一种新型天线，这 种天线被称作微带天线。微带天线分为三个大类，分别为微 带贴片天线、微带缝天线和微带行波天线。其中，微带贴片天 线 [1-3] 使用的频率较高，其特点是体积小、重量轻、效率高以 及频率的选择性较好。但频率选择性较好既是一种优点，又 是一种缺点，该特点导致天线带宽比较窄，具有一定的局限性。

1 宽带微带天线的设计

微带天线可以类比为一个封闭的谐振腔，其谐振特性能 够等效于一个并联谐振电路，并具有高 Q 值 [4-6]。总体来说， 微带天线具有阻抗带宽较窄的固有缺点，这对其广泛应用产 生了限制，因此需要扩展微带天线的带宽。近几年，人们主要 采用增大基板厚度，降低介电常数，附加阻抗匹配网络，采用 缝隙耦合馈电等方法来扩展微带天线的带宽。天线带宽根据 微带天线输入端的电压驻波系数来确定，范围即电压驻波系 数低于某一个特定值对应的频段，天线的带宽用微带天线的 电压驻波比来表示 [7,8] ：

 其中，Q=2pfWr/P，Wr=erV02/16pm0hf2（k0，a）2，P=Pr+Pd+Pc+PSw。 Pd 为导体损耗，Pc 为介质损耗，Pr 为辐射损耗，后三者与 Pr 相比可忽略不计，因此可得 ：Q>>（er/hm0）A，A为常数。

从公式（1）中可以看出，当微波天线的驻波比 VSWR 值 一定时，改善天线带宽的根本途径是降低天线的品质因数 Q， 可以从以下几个方面入手 ：

（1）选择厚基片，辐射电导会随其厚度的增加而增大， 辐射对应的 Qr 以及总的 Q 值会随之下降。不过该方法的作用 有限，基片过厚导致基片厚度与波长之比过大，产生表面波 激励，同时重量也会增大，占据空间随之增大。本文实验采 用同轴电缆对微带天线进行馈电，而厚度的增大会导致探针 的电抗相应增加，使得天线的效率下降。此外，er 减小可使得 介质对场的束缚减小，容易辐射，天线的储能也会随之减小， 使得辐射对应的 Qr 变小，带宽变宽。但也存在局限，其最小 值为 1，等效于采用空气介质的情况。不过贴片单元和微带馈 电的宽度都比较宽，辐射损耗需要得到抑制，相应的值比较 大。铁氧体的基片材料能够采用改变磁场的方式来改善带宽， 但其损耗过高。

（2）使用改变贴片形状的方式，使得储存的能量得到最 大程度的辐射效能，如选用矩形环贴片或者圆形环贴片。矩 形环贴片相对容易制作，本文选取矩形贴片来增加带宽。

（3）使用阶梯型的基板。因为两个辐射端口处的两个谐 振器基板厚度不同，它们经过阶梯电容耦合会引起双回路现 象 [9]，所以基板形状的变化会使得频带带宽得以扩展。

（4）采用多谐振点的叠加来实现带宽的增加，既然一个 微带天线贴片可以等效为一个并联谐振回路，多个贴片可以叠 加多个相近的谐振频率从而实现带宽的增加。故可采用平面多 谐振结构，即在同一个平面上拥有多个贴片，其中一片进行直 接馈电，其他贴片为寄生贴片。多层结构即将两块或者更多的 贴片附在不同介质片层上堆叠起来，其馈电方式分为电磁耦合 型和孔径耦合型。可以通过在微带天线上加短路梢钉来调整 馈电探针的位置，从而激励多种相近的谐振频段。线极化的 微带天线带宽受制于阻抗带宽，使用馈线匹配技术可以降低 其输入电抗，由此带宽得到了扩展。

2 宽带微带天线的仿真制作与测试

本节先通过 CST 仿真软件来进行正方形贴片天线的 仿真，正方形贴片天线仿真图如图 1 所示，正方形铜片为 25 mm×25 mm，放置于介质基板上，介质基板的长宽分别是 59 mm 和 34 mm，厚度是 1 mm，两者对称分布。从 1 GHz到 12 GHz 取 30 个频率点在频域采样仿真，精度为 10-6，使 用宽带扫频模式，使用波导端口对同轴线进行馈电，最终得到 的仿真结果如图2所示。S11位于－10dB以下的频率范围为1.86 GHz 到 4.89 GHz，带宽大致为 3 GHz，相对而言，带宽得到 了一定扩展，仿真回波反射系数有两个较低值，其最低值超过 了－30 dB。

进行正方形微带贴片天线的制作，图 3 所示即为本文所 制的正方形贴片天线。该天线由两块同样大小的正方形铜贴片 构成，馈电头通过在介质基板上打的孔与铜片相连，两端分 别通过焊接的方式连接到介质基板的两块正方形铜片上，该 介质基板即制作巴伦偶极子天线所使用的 F4T。

最后进行实验，通过矢量网络分析仪测得该正方形贴片 天线的回波反射系数，宽带微带天线回波损耗实测结果如图 4 所示。在 2 GHz 到 8 GHz 的频率范围内，其回波反射系数均 低于－10 dB，在 5 GHz 以上时趋近于－10 dB，在 2.5 GHz 到 4 GHz 出头的频率范围内，其回波反射系数较低，其最低 值趋近于－30 dB。总体来说，实物效果与仿真结果较为一致， 带宽效果比较好，超出实验预期。

3 结 语

本文结合仿真实验实现了一种矩形宽带微带天线，仿真 实现了 3 GHz 的带宽，同时实物实验结果很好地验证了宽带 的特性。目前，除了实现天线宽频化，实现天线多频化、多极 化也是人们研究的热点之一，希望本文能够为研究者们提供新 的思路。