微帶天線由于其重量輕,制作簡(jiǎn)單、成本低,易于與載體平臺(tái)共形以及適合組陣等諸多優(yōu)點(diǎn),自20世紀(jì)70年代以來越來越受重視并得到廣泛應(yīng)用。它特別適用于各種移動(dòng)地面設(shè)備,如移動(dòng)通信、無線電話、GPS接收機(jī)、車載雷達(dá)等,以及飛行載體(如衛(wèi)星、火箭和飛機(jī)等)電子設(shè)備。但微帶貼片天線的致命缺點(diǎn)是阻抗帶寬太窄,只有百分之幾,大大限制了它的應(yīng)用范圍。近些年來,已有多種技術(shù)成功地用于改善帶寬,這些方法中包括使用低介電常數(shù)的介質(zhì)基板、使用水平或垂直方向多層寄生貼片、以及采用匹配結(jié)構(gòu)等。

　　本文提出微帶貼片天線加載變?nèi)莨軄硖岣哂行?用最簡(jiǎn)單的傳輸線模型理論設(shè)計(jì)微帶貼片天線,研究變?nèi)莨芗虞d的探針饋電矩形微帶天線電特性,重點(diǎn)考查了變?nèi)莨芗虞d微帶天線后的諧振頻率變化及可調(diào)諧范圍,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)符合得較好。

1 天線的分析與設(shè)計(jì)

　　微帶天線的分析方法主要可分為三類,即傳輸線模型,腔模理論以及全波分析法。全波分析法是最嚴(yán)格的分析方法,采用矩量法(MOM)、有限元法(FEM)及時(shí)域有限差分法(FDTD)等數(shù)值方法比較嚴(yán)格地求解,結(jié)果比較精確,但計(jì)算量都比較大。在通常的工程應(yīng)用中,采用傳輸線模型和腔模理論,只要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)際結(jié)構(gòu)作適當(dāng)?shù)男拚?也能得到滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果,誤差可控制在1%以下。

　　探針饋電的加載變?nèi)莨芫匦挝зN片天線結(jié)構(gòu),如圖1所示,微帶貼片印刷在介電常數(shù)εr=2.2的聚四氟乙烯介質(zhì)基片上,基片厚度h=1.59mm;設(shè)計(jì)中心頻率f0=3.0GHz(未加載變?nèi)莨軙r(shí)),設(shè)貼片的寬度和長(zhǎng)度分別為W和L,饋電點(diǎn)距兩邊緣為L(zhǎng)1、L2。其等效傳輸線模型如圖2所示,變?nèi)莨艿牡刃щ娐啡鐖D3所示。

微帶結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)及特性阻抗分別為:

其中Wr=W/h,開路端縫隙邊緣效應(yīng)引起的等效延伸長(zhǎng)度為:

則可得左邊終端導(dǎo)納Ys1=Gs+jBs,其中

且LC=L+Δl。對(duì)于右端(即加載變?nèi)莨芏?,其終端導(dǎo)納還需計(jì)入變?nèi)莨苡绊?即Ys2=Gs+jBs+g0+jBV。另外,采用同軸探針饋電,中心導(dǎo)體需穿過介質(zhì)板,即在貼片與金屬接地板間含有一金屬小圓柱,對(duì)輸入阻抗的影響為引入一感抗

令YinL和YinR分別為由饋電點(diǎn)向左向右看的輸入導(dǎo)納,由傳輸線公式:

根據(jù)諧振時(shí)輸入導(dǎo)納的虛部為零即可求出天線的諧振頻率。這樣,控制加在變?nèi)莨苌系碾妷壕涂梢钥刂铺炀€的工作頻率,從而加大天線的工作頻率范圍。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　首先設(shè)計(jì)一個(gè)微帶貼片天線,微帶貼片印刷在介電常數(shù)為2.2的聚四氟乙烯介質(zhì)基片上?；穸萮=1.59mm。微帶貼片天線的設(shè)計(jì)頻率為3.0GHz,則由計(jì)算得到貼片的物理尺寸,長(zhǎng)L=32.85mm,寬W=39.50mm。為使阻抗為50Ω的SMA同軸探針與貼片的輸入阻抗匹配,饋電探針的位置應(yīng)放在距貼片中心約L/6處。所采用的變?nèi)莨艿幕緟?shù)為:總電容比10,零偏電容6pF,反向擊穿電壓-22V,寄生電容0.13pF,串聯(lián)電感0.4nH,串聯(lián)電阻0.01Ω;與其對(duì)應(yīng)的變?nèi)莨艿牡刃щ娐啡鐖D3所示。該變?nèi)莨芫哂懈唠娙荼?高Q值,恒定的γ值;為獲得較寬的調(diào)諧范圍,變?nèi)莨芗虞d于貼片輻射邊的中心,因?yàn)樵擖c(diǎn)的電場(chǎng)最強(qiáng)。

　　再單獨(dú)測(cè)量變?nèi)莨芄ぷ魈匦郧€,即改變變?nèi)莨艿姆聪蚱珘簳r(shí)測(cè)電容值;然后加載微帶貼片天線作在線測(cè)量,改變變?nèi)莨艿姆聪蚱珘?用標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀來測(cè)量反射損耗的頻率響應(yīng)。圖4給出了微帶貼片天線的諧振與變?nèi)莨茈娙莸年P(guān)系曲線的測(cè)試結(jié)果。不難發(fā)現(xiàn)在一個(gè)相當(dāng)寬的頻率范圍上可以調(diào)諧。而且,當(dāng)變?nèi)莨芊聪蚱秒妷捍笥?0V時(shí),諧振頻率數(shù)值上變化不明顯,這是因?yàn)樽內(nèi)莨艿慕宇^電容在這個(gè)工作區(qū)上趨近于常數(shù)。以2.2GHz為中心,測(cè)得的調(diào)諧范圍為50%?？紤]變?nèi)莨艿刃щ娐分兴械膮?shù),圖中同時(shí)給出了用簡(jiǎn)單的傳輸線理論計(jì)算諧振頻率曲線,測(cè)試結(jié)果與預(yù)測(cè)吻合得較好。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,將變?nèi)莨芊旁谫N片輻射邊的中心時(shí),獲得了相當(dāng)寬的調(diào)諧范圍:以2.20GHz為中心可達(dá)50%。值得注意的是,采用這種辦法并不增加天線的瞬時(shí)阻抗帶寬;即使如此,這種方案的實(shí)現(xiàn)對(duì)于頻率捷變裝置或多頻工作的收發(fā)系統(tǒng),如雷達(dá)、移動(dòng)通訊,仍然有著非常重要的實(shí)際意義。