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1、2000年6月宇航计测技术第20卷 第3期a宽频带微带天线的设计*洪家才 徐天东 文 摘 频带窄严重制约微带天线的广泛应用。在讨论微带天线频带展宽的基础上,研究多谐振方式展宽频带的方法。采用时域有限差分法进行优化设计计算,给出了具体测试结果。主题词 +宽频带 微带天线 时域有限差分L波段1 引 言微带天线由于其本身的特点(如具有结构简单、低剖面、小型化,可以与飞行器表面共形安装而不影响飞行器的空气动力性能和占用飞行器内舱空间,天线可以与微带电路(如放大器等)集成在一起,工业制造简单,价格低廉等优点),而广泛应用于测量和通讯各个领域。但是对于微带天线来说,最严重的缺陷可能是单
2、个贴片天线的带宽太窄,与振子天线、缝隙天线、波导开口喇叭天线等工作带宽一般在15%～50%相比。微带单贴片的天线带宽只有〔2,3〕百分之几,因此最近微带天线大量的研究是关于微带天线的频带展宽技术。2 分析计算微带天线的频带可以从以下三个方面的带宽来描述:阻抗带宽、方向图带宽和极化带宽。一般来说阻抗带宽天线带宽的主要因素。通过对微带天线的分析可以知道,要展宽微带天线的频带,可以采用以下几种方法:①增加微带介图1 微带天线多级谐振展宽频带图质的厚度;②降低微带介质的介电常数;③采用有耗介质;④对馈电电路采用宽带阻抗匹配(如阻抗匹配电路或采用开缝耦合对天线馈电);⑤采用多贴片谐振。
3、一般来说,前三种方法的效果比较不明显,而且第三种方法是以天线增益的降低为代价的;第四种方法需要设计宽带匹配电路,但电路结a收稿:2000-02-08*北京怀柔装备指挥技术学院,讲师,男,101416—40—构复杂,制作难度比较大。因此我们采用第五种方法,该方法是利用多贴片耦合的方式,使每个贴片天线的谐振中心频率各不相同、而各谐振带宽又相互交叉,使整个天线的总体带宽展宽,如图1所示,就象电路中采用多级放大器展宽频带的方法类似。每个贴片均采用矩形结构,根据矩形结构微带天线的理论,单个矩形贴片微带天线的长度近似为1ö2个波导波长,因此,单个贴片的谐振中心频率可以按下式计算ccf==
4、q(1)KdEr2bEr 式中:c—光速;q—等效介电常数因子;b—贴片的长度。对微带天线的分析有很多方法,如传输线法(TML)、腔模理论(CavityModel)和数值方〔4～6〕法(如FET、MOM、FDTD等)。但这些方法要么太简单,计算不够精确(如TML);要么计算繁杂,不利于大量的优化计算。现在对单个贴片天线可以用传输线法(TML)或腔模理论分析和设计,对于结构复杂的微带天线的计算一般采用数值方法,我们采用时域有限差分(FDTD)法来进行优化设计计算。对于同轴背馈方式馈电的微带天线,计算时将整个结构分成二个区:同轴线区和微带天线区。这样同轴线区的计算空间和时间远小
5、于天线区。这时要处理好两个区域的连接问题:让分界面是网格单元的一个面,Ex,Ey,Hz在此面上,取分界面上下半个网格面,Ez,Hx,Hy在这个面上,按照下述两组公式处理分界面的场关系(下标a表示天线区,下标c表示同轴线区)由于微带线中传播的是准TEM波,因此,可以按照一阶吸收边界条件设定吸收边界。—41—由于微带电路本身就有许多没有或者无法设计的因素,因此,微带天线的主要难点是在进行多次计算优化设计的基础上,还要进行大量细致的调试工作。因为工作频率高,微带尺寸小(厘米级),尺寸稍有偏差,天线的性能就可能发生很大的变化。3 设计举例根据各贴片的耦合方式不同,有两种结构形式:平行
6、耦合和层叠耦合,分别如图2和图3所示。3.1 结构形式平行耦合结构从中间贴片馈电,四周有四个无源贴片耦合,各贴片在一个平面上。通过调整各贴片谐振长度调整各贴片的谐振频率,通过调整各贴片与中间贴片间的缝隙调整各贴片间相互耦合量的大小,从而实现宽频带。根据计算设计的一个L波段平行耦合结构微带天线的尺寸如图2所示。微带基片介质厚度t=3.4mm,介电常数Er=4.8,贴片0,1,2,3,4的尺寸分别为(L×W(mm)):(55.1×39.1),(55.1×37.4),(54.6×36.2),(55.1×41),(54.6×37.7),贴片0与贴片1,2,3,4之间的缝隙宽度分别为0
7、.8mm,0.5mm,1.2mm,0.5mm,背馈点在靠近贴片3的边线中垂线上距边线距离4.5mm。图2 平行耦合结构的微带天线图 图3 层叠耦合结构的微带天线图层叠耦合结构由上下两层或多层贴片,中间隔有空气层构成,如图3所示。其中,下面的贴片馈电,上面的贴片是无源耦合贴片。通过调整各贴片谐振长度调整各贴片的谐振频率,通过调整上下贴片中间的空气缝隙宽度调整上下贴片间相互耦合量的大小,从而实现宽频带。根据计算设计的一个L波段层叠耦合结构微带天线的尺寸如图3:上下贴片均采用正方形,边长分别为50.
