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S波段微带宽频带贴片天线设计

2016-12-26方婕

电子技术与软件工程 2016年22期
关键词:线极化

摘 要

本文利用微波天线的设计技术,同时结合某种无线设备的相关指标要求,设计了一种工作在S波段的微带宽频带天线,在设计工程中,为了拓宽频带宽度,采用E型贴片来进行设计,并对E型贴片的开槽尺寸的确定方法进行了相关的讨论。同时在设计中采用SMA接头,最后利用电磁场仿真软件HFSS对设计的天线进行仿真,结果为:天线的工作频率满足:2.05-2.35GHz,带内驻波:≤1.5,正交极化:优于15dB。

【关键词】微带天线 线极化 E型贴片 宽频带

微带天线具有低成本、低剖面、轻重量、易于共形等诸多优点,被广泛地应用于各种通信系统。但微带天线有其固有缺陷,即带宽比较窄,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。

其中最具代表的足附加寄生贴片和表面开槽的方法。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。本文这个天线频带就比较宽,仅靠单个贴片很难实现的,通过查阅相关资料,我们决定采用E型贴片来扩展带宽,采用双侧结构来提高增益。同时设计了合理的馈电结构,通过仿真调整各个参数优化设计,得到了能满足应用需要的天线设计模型。

1 天线结构设计

本设计中的微带天线采用E型贴片的结构来实现。该模型的基本结构如图1所示。

该天线主要由金属底板、E型辐射贴片和寄生辐射单元组成,两层辐射元均印制在厚度为1mm的FR4介质板上。底板与下层之间、下层与上层印制板之间分别用厚度为h1和h2的空气层隔开,并在四周用加工的FR4材料结构很好地支撑。天线通过探针对下层的E型贴片馈电,E型贴片通过耦合作用激励上层的寄生元。E型贴片长为L,宽为W,贴片上两条间距为Ps的对称窄缝长度Ls,宽度Ws,中间凹陷深度s,寄生贴片长度Lp,宽度Wp。而寄生辐射单元如下方法设计:

1.1 基片的选择

基片材料板一般由低损耗介质单面或双面敷铜、敷铝、敷金组成。基片材料一般有聚四氟乙烯、聚苯乙烯、陶瓷等,选择各种基片,由工作频率及应用条件所决定。例如,低频带天线则要用高介电常数基片,以减小尺寸。选择基片时应考虑基片的多种性质:介电常数和损耗角正切以及他们随稳定和频率的变化,均匀性,稳定系数和稳定范围,天线尺寸随工艺过程及温度和湿度变化的稳定性,基片厚度的均匀性等,此外还有抗化学性,拉伸强度及结构强度,柔韧性,可加工性,抗冲击性,可成形及可粘合性等。

1.2 单元宽w

根据要求的工作频率f和基片厚度h可用文献[3]中的公式设计出高效率贴片的宽度:

当选用小于上式的宽度时,辐射效率将降低。而选用大于上式宽度时,虽然辐射效率较高,但这时将产生高次模,从而引起场的畸变。

1.3 单元长度L

矩形微带元的长度一般为λg/2,λg是等效介质中的波长:

2 仿真结果

图2所示是利用高频电磁场仿真软件HFSS建立的天线仿真模型。

根据设计要求,天线的极化方式是线极化,同时带内驻波要不大于1.5,通过仿真和优化,基本上满足要求,图3所示为天线的最终尺寸。

通过HFSS仿真软件获得比较理想的驻波、交叉极化以及增益,具体的参数结果如图4~6所示。

由仿真结果可以看出,在要求的频带内,驻波比均在1.4以下,交叉极化也满足了要求,在要求的频带里增益全都在7.1上8以下。通过分析相关参数,由于带宽高于10%,属于宽带微带天线,而我们所仿真的结果显示这种E型贴片的确拓宽了带宽,但同时我们也发现它的增益最高也只有7点多,很难达到高增益,如果我们只是要拓宽带宽,选择E型贴片可以完成要求,但如果要做到宽频带高增益,我们就应该寻求其他方法,因为E型天线很难达到高增益。

3 结论

本文给出了一种工作在S波段的微带宽频带天线的设计过程。天线采取同轴馈电,利用E型贴片以及多层结构来拓宽带宽。同时本文利用行业里较为常用的高频电磁仿真软件HFSS验证仿真的可行性,并为下一步实物的制作提供了参考数据。此外在本文还反映了一个问题就是E型贴片天线的增益不高,但是在扩宽频带方向有很好的效果,如果在增益要求不是很高的情况下可以考虑用这种方法来展宽频带。

参考文献

[1]付永庆,柯林,王玉峰.三层宽频带微带天线的设计[J].弹箭与制导学报,2006,26(04):304-306.

[2]王玉峰,周汀,崔景波,林鑫超.宽频带E形层叠微带天线设计[J].无线学报,2008(01):181-184.

[3]魏文元,宫德明,陈必森.天线原理[M].北京:国防工业出版社,1985.

[4]闵刚,武永刚.基于HFSS的双层宽带微带贴片天线的研究[J].电子技术(上海),2009(06):65-66.

[5]Sajid M.Asif,Adnan Iftikhar,Saeed M.Khan,Muhammad Usman,Benjamin D.Braaten. An E-shaped microstrip patch antenna for reconfigurable dual-band operation[J].Microw.Opt. Technol.Lett.,2016,Vol.58(06).

作者简介

方婕(1988-),女,山西省运城市人。硕士学位。现为晋中学院信息技术与工程学院助教,从事嵌入式、高频电子电路研究。

作者单位

晋中学院 山西省晋中市 030600

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