宽频带微带贴片天线技术

宽频带微带贴片天线技术

摘要:随着现代通信技术和雷达的发展,宽频带微带贴片天线技术的研究已经得到足够重视。本文简要论述影响带宽的因素,并着重介绍几种展开带宽的方法。

关键词:微带天线宽频带微波通信

微带天线由于具有剖面低、重量轻、体积小、易于共形和批量生产等优点,广泛应用于测量和通讯各个领域。但微带天线有其固有缺陷,即其阻抗带宽较窄,典型的频带宽度从百分之零点几到百分之几,所以微带天线的窄频带特性成了限制其应用的主要障碍,因此展宽微带天线的带宽具有十分重要的意义。

1 影响微带天线带宽的因素

微带贴片天线的窄带特性是由其高Q值的谐振本性决定的,也就是储存于天线结构中的能量比辐射和他它耗散能量大得多,这就意味着谐振时实现了阻抗匹配而当频率偏离谐振点时电抗分量急剧变化使之失配。微带天线的带宽(BW)往往以输入端电压驻波比系数(VSWR)的值小于某给定值的频率范围来表示,若给定的VSWR值为S,则VSWR<S的频带宽度BW为:

2 展宽带宽的途径

(1)基本途径:增大基板厚度,降低基板相对介电常数,及增大a/b(矩形)。这三种途径其主要通过降低等效谐振电路的值来展宽频带宽度,较容易实现,但需要根据实际情况合适地选择这些参数。

(2)改变天线的结构来展宽微带天线带宽。这种途径主要有:电磁藕合馈电;附加阻抗匹配网络;加载短路探针;在贴片单元或接地板上“开窗’,采用多层结构,采用E型贴片等。

电磁藕合馈电的方法是设法修改等效谐振电路,把普通单层微带天线的简单RLC等效电路修改为多频点的藕合谐振电路,从而实现了阻抗带宽的展宽。这种展宽天线带宽的方法设计制作起来相对较易实现,但是天线占用空间较大。

附加阻抗匹配网络的方法实际上并不属于微带天线本身的问题,而是馈线的匹配问题。由于线极化微带天线的工作带宽主要受其阻抗

带宽的限制,因此采用馈线匹配技术就能使其工作于较宽的频域上。例如采用简单的双枝节匹配技术,可将带宽增大至两倍左右。利用切比雪夫网络来综合宽频带阻抗匹配网络,可将带宽增大到四倍左右。

在微带贴片天线的不同位置开不同形状的“窗口”可等效成引入阻抗匹配元件;在接地板的适当位置处“开窗”可改变微带天线的辐射条件和阻抗特性。这两种方法都有可能展宽微带天线的带宽。但这两种方法在作一般的严格理论分析时有巨大的困难,因此,这方面的研究主要是实验性的。

采用多层介质基片的微带天线结构,将馈电网络与天线贴片分别置于不同的介质基片上,这样可以获得宽频带的驻波比特性。这种类型的天线,它利用馈线本身对贴片进行馈电,改变贴片振子与馈线的相对高度和改变贴片中心与馈线端点的相对位置,就可以获得一个匹配点。同时,采用多层介质基片可以实现多频段工作,当配置得当时,多个谐振频率适当接近,结果将形成频带大大展宽的多峰谐振电路。总的而言,采用多层介质基片展宽频带这种方法,匹配调节比较复杂而且精确度不是很高,而且带宽的增加是以增大天线厚度为代价的。

在微带天线上加载短路探针,可以提高谐振频率以调谐天线。这种结构中,主要是通过调整馈电探针的位置来激励多种相邻的谐振模式,然后借助于短路销钉调谐各个谐振频率,使所有的谐振点适当接近,这样天线总的工作频带将大大展宽。馈电探针的位置一般偏离天线主轴,用以激励不同的谐振模式,而短路销钉均匀地分列于贴片边缘,用

以调谐天线和实现天线小型化。但是在这种结构中,阻抗匹配极大地依赖于短路销钉和探针的位置,并且短路销钉的粗细和数量都比较明显地影响谐振频率,所以调谐和实现匹配比较困难,计算和仿真也比较复杂。

采用E形贴片结构,微带贴片上平行分列着两个矩形窄槽,馈电探针位于两个槽的中央。这两个窄槽相当于在原有矩形微带天线的基础上,增加了一个耦合LC谐振回路,从而使天线工作于两个谐振频率上,当谐振点比较接近时,大大地拓宽了频带。但是,这种结构的微带天线受窄槽的长度、宽度以及距离馈电点的位置的影响较大,不利于调节匹配。

(3)采用非常规的基板形状及基板材料。采用楔形或阶梯形基板可简单而有效的展宽微带天线带宽。这两种基板形状的变化导致带宽展宽的物理意义可解释为是由于两辐射端口处基板厚度不同的两个谐振器经阶梯电容耦合产生双回路现象造成的。

采用大损耗基片或附加有耗材料,例如用铁氧体材料作基板材料,其电磁特性可显著地缩小天线尺寸[2]。同时,由试验知铁氧体基板的微带天线具有多谐特性。故若能得到接近理想的色散特性就有可能在几个倍频程内用一个铁氧体天线,即可以在不同频率上对应同一贴片尺寸,从而实现展宽微带天线的带宽。但是采用铁氧体由于其损耗较大,效率较低。

3 结语

上述的各种宽带方法可以分别单独使用,但一般为了改善天线性能,常综合采用多种方法。虽然当前针对微带天线提出了很多扩展频带的方法,但是都存在不足,而且实用性不是很高,还有待于进一步的研究和改进。微带天线的增益、带宽等多项技术指标是互相联系、互相影响的,不可能全部满足,肯定存在顾此失彼的情况。因此,在后续的研究中要寻找一个最佳的平衡点以尽可能满足设计和工程要求。随着对微带贴片天线频带展宽方法研究的深入,其固有的窄频特性最终将得以解决。

参考文献

[1] 张钧,刘克诚,张贤铎,赫崇骏.微带天线理论与工程[M].北京:国防工业出版社,1988.272～308.

[2] 钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,1991.152～172.