改进的宽频带微带天线的设计方法

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图3 电容馈电时的结果 , 电容片直经 11. 5mm
结束语
由上面的设计结果可以看出 , 应用本文提出
由于装配误差 , 将电容片稍微调整时可得进 一步的结果 : 图 4 是双层贴片, 电容片馈电 , 电容 片直经 12. 0 mm , 天线其它参数同图 2; 图 5 是双 层贴片 , 电容片馈电, 电容片直经 12. 5 mm , 天线 其它参数同图 2.
中图分类号 : TN 822+ . 8 文献标识码 : A
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, 正日益受到人们的 广泛关注 , 对微带天线的研究正方兴未艾. 但微带 天线有其固有缺陷, 即其阻抗带宽较窄 , 一般微带 天线的带宽仅有 5% 左右
[ 1] , [ 2]
的设计方法, L 波段双层贴片微带天线的带宽达 到 25. 7% . 在工作频段增益大于 8 dB. 同时 , 由公 式( 4) ~ ( 19) 可以看出, 本文提出的设计公式不仅 适用于双层贴片微带天线 , 对于多层贴片微带天 线的设计也是适用的 . 参 考 文 献
[ 1] Carver Keit h R, Mink James W. M icrostrip ant enna technology[ J] . IEEE Trans Ant ennas Propagat , 1981, AP -29( 1) : 2~ 24. [ 2] Lo Y T, Solomon D, Richards W F. Theory and experiment on mi crostrip antennas[ J ] . IEEE Trans Ant ennas Propagat, 1979, AP -27 ( 2) : 137~ 145. [ 3] Pozar David M , Schaubert Daniel H. M icrostrip antennas[ M ] . New York: IEEE Press, 1995. [ 4] Pozar D M, Kaufman B. Increasing the bandwidth of a microstrip an t enna by proximity coupling[ J ] . Electronics Lett ers, 1987, 23 ( 8 ) :
E hi
i= 1
2
- 1/ 2
L2
( 11)
下层贴片的谐振频率可表示为 [ 19] , [ 20] C0 1- F 2 F r2 = 2L 2 E e2 1+ F E 2 ln 1. 123L 2 e2 其中 F 2= 2 E hi
i= 1 2
i=1
E hi
( 12)
2
2
宽频带微带天线的设计实例
按照上面提出的设计方法, 成功的设计出了 阻抗带宽达到 25. 7% 的双层微带天线, 其实测结 果如下. 图 2 是双层贴片直接馈电时的结果, 天线的 有关参数为: 上下贴片的尺寸 W 2 = L 2 = W 4 = L 4 = 62 . 5mm
i= 1 4
Z in = Z R + jX L X L = G/ P t an( 0. 5k 1 h 1 ) ln( 2. 25/ k 1 d)
Fr 4 =
C0 2( L 4 + 2$L 4 )
E e4
( 15)
其中 G 和 k 1 分别是特性阻抗和介质中的波数 . 为 了补偿探针电感, 在探针顶部串联一个电容并使 其满足谐振条件 Xr CX L = 1 ( 3)
不同结构多种形状的微带天线的设计与分析. 一 般地 , 增大微带天线带宽的 方法可粗略的分为: ¹ 增加寄生单元 [ 1] , [ 9] ; º增加基片 的厚度、 减小 基片相对介电常数 ; » 利用阻抗匹配网络
[ 13]
等.
但增加寄生单元将增大微带天线的面积 , 增加基 片厚度将引起表面波损耗 , 而利用阻抗匹配网络 将使结构复杂、 增加装配误差 . 现有文献报道表明 对于微带天线频带的展宽主要是在实验中摸索, 而且微带天线的带宽对装配误差很敏感 , 系统的 设计方法还未见报道 . 本文提出一种实用的、 概念简单、 适合工程实 际应用的宽频带微带天线的设计方法[ 15] . 在本文 第 1 部分提出了双层贴片宽频带微带天线的设计 方法 , 设计实例和实验结果被放在第 2 部分. 可以 看出利用本文提出的设计方法设计的微带天线, 其阻抗带宽达到了 25. 7% ( 电压驻波比 [ 2) , 该
收稿日期 : 1998 -07 -14 基金项目 : 航空科学基金资助项目 ( 96F51070) 作者简介 : 刘章发 ( 1963- ) , 男 , 安徽贵池人 , 博士后 , 100083, 北京 .
微带天线的潜在优点之一是其简单的物理结 构, 因此在微带天线的设计过程中保持其引人入 胜的优点是十分重要的. 一般地, 要降低微带天线 的 Q 值、 增大其带宽 , 在微带天线的几何尺寸和 工作频率被确定后, 要么增大衬底的厚度, 要么降 低介质的相对介电常数, 或者两者同时采用 . 但不 幸的是, 增加介质厚度将引起表面波模损耗 , 而且 对于同轴探针馈电的微带天线 , 介质厚度的增加, 探针引起的电感也将显著增大. 为了克服上述困 难, 有必要补偿探针引起的电感. 微带天线的结构如图 1 所示 , 有别于传统微 带天线 , 本天线是通过同轴探针顶部附加小的平 面电容片对微带天线进行馈电, 设电容片与下层 贴片间介质的厚度为 h 2, 并假定 h 2 远小于探针 的高度 h 1, 上下贴 片长 和宽分 别为 L 4 = W 4 和 L 2 = W 2 , 各层介质厚 度和相对介电常数 E r 如图 所示. 此电容值可以通过电容片的直径和介质的 特性确定 . 下面给出设计过程 . 微带天线的输入阻抗和探针的电感可以表示 [ 16 ] ~ [ 18] 为
- 1/ 2
L4 ( 16)
$L 4 为上层贴片的伸长量 , 它可由下式求得 E e 4 + 0. 3 $L 4 = 0. 412 E h i E - 0. 258 # e4 i=1
4
其中 Xr 是谐振角频率. 为了求得微带天线的谐振频率 , 假定从天线 顶部到接地板间的电位差为 V0 , 则可得 V0 = V 1 + V 2 + V 3 + V4 V0 = ( h 1 + h 2 + h 3 + h4 ) Ez ( 4) ( 5)
PS2 E e 2L 2
( 13)
第 1期
刘章发等 : 改进的宽频带微带天线 的设计方法
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E r1 = E r3 = 2. 2 E r2 = E r4 = 2. 6 h 1 = h 3 = 1. 5 mm h 2 = h 4 = 8mm
图 6 是参数同图 5 的天线的增益曲线.
图5
电容馈电时的结果 , 电容片直 经 12. 5mm
( 北京航空航天大学 电子工程系 )
要 : 微带天线的窄带特性是限制其广泛应用的重要原因之一 , 如何展
宽微带天线的带宽一直受到研究人员的关注. 本文提出一种简单 、 实用 、 满足工程实 际需要的宽频带微带天线的设计方法, 实测表明, 利用本文提出的设计方法所设计的 L 波段双层微带贴片天线, 其阻抗带宽达到 25. 7% , 在工作范围内增益大于 8 dB. 同 时, 本文提出的设计方法对于多层贴片微带天线也是适用的 . 关 键 词 : 宽波段天线; 阻抗; 阻抗测量; 阻抗带宽 ; 微带天线 文 章 编 号 : 1001 - 5965( 2000) 01 -0015 -04 天线的增益在工作频段大于 8 dB. 实测结果表明 本方法是可靠有效的 . 此外, 虽然本文提出的是双 层贴片的宽频带微带天线的设计, 但由本文提出 的设计方法可以看出 , 对于多层贴片的微带天线 也是适用的.
( 7) ( 8) ( 9)
上式中 ( i = 1, 2, 3, 4 ) , 由 ( 4) ~ ( 9 ) 可得等效介电 常数为 E rc =
i= 1 4
E hi
hi
4
i=1
E Er i
( 10)
对于第 2 层介质 , 其等效介电常数为 E rc + 1 E rc - 1 E + # e2 = 2 2 1+ 10. 0 +
图2
直接馈电时的结果
图 3 是双层贴片 , 电容片馈电 , 电容片直经 11. 5 mm, 天线其它参数同图 2.
图6
天线增益
由上述结果可以看出, 采用电容片馈电比直 接馈电, 其阻抗带宽有了显著的改善, 在电压驻波 比 [ 2 时带宽达到 25 . 7% . 在工作频段天线增益 大于 8 dB. 由此可见, 本设计方法是切实可行的 .
. 微带天线的窄频
带特性成了限制其广泛应用的主要障碍 , 因此 , 展 宽微带天线的带宽具有十分重要的意义 . 多年来由于微带天线的应用越来越广, 很多 研究人员致力于展宽微带天线的带宽 , 并取得了 许多进展[ 3] ~
[ 14]
1
宽频带微带天线的设计
. Pozar 和 Schanbert[ 3] 广泛回顾了
2000 年 2 月 第 26 卷 第 1 期
北京 航空航天大学学报 Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics
February 2000 Vol. 26 No1 1改进的宽Leabharlann 带微带天线的设计方法刘章发
摘
吕善伟
李世智
( 北京理工大学 电子工程系 )
16
北 京 航 空 航 天 大 学 学 报
2000 年
S2 =
i=1
E hi
L2 L2
2
2
E hi +