cpw饋電蝶形組合結(jié)構(gòu)天線的設(shè)計與性能分析

cpw饋電蝶形組合結(jié)構(gòu)天線的設(shè)計與性能分析

天線結(jié)構(gòu)的和容性耦合由于平面天線具有厚度低、重量輕、施工方便等優(yōu)點，越來越受到重視。通常微帶貼片天線饋電單元和輻射單元不在同一個平面上,需要通過打孔來連接,這對一般的集成電路是不太容易實現(xiàn)的。而共面波導(dǎo)(CPW)饋電的平面天線輻射單元和饋電單元在同一平面上,更易于實現(xiàn)集成化,且CPW饋電天線存在兩種饋電方式:感性耦合和容性耦合,更能滿足不同環(huán)境對天線的要求。因此,CPW饋電的平面縫隙天線成為微小平面天線領(lǐng)域研究的熱點。CPW饋電的天線結(jié)構(gòu)形式多種多樣,縫隙天線是其中一種。CPW饋電直縫隙天線也被視作為一種縫隙振子天線,而振子天線是目前廣泛使用的一種天線。對于振子天線,當(dāng)振子長度達(dá)到幾個波長時,天線具有較高增益,但其方向圖旁瓣較多,帶寬也受到限制。增加帶寬的常用方法之一就是使天線的特征尺寸和長度無關(guān),而只與角度有關(guān),如指數(shù)螺旋天線。錐形天線也是提高帶寬的一種有效方法,在二維情況下錐形退化為三角形,即是常說的蝶形領(lǐng)結(jié)天線,也存在與之互補的縫隙天線。本文討論了一種振子天線與錐形天線相結(jié)合的縫隙天線。對不同的襯底厚度以及感性饋電和容性饋電兩種方式,采用有限元分析軟件(AnsoftHFSS)進(jìn)行系統(tǒng)地仿真分析。結(jié)果表明,對于這種組合結(jié)構(gòu)天線,襯底厚度的增加使諧振頻率降低,但對天線帶寬的影響不大;蝶形結(jié)構(gòu)的引入有效地抑制了普通振子天線的旁瓣,提高了組合結(jié)構(gòu)天線的帶寬,同時增益也有所增加;此外,容性耦合的增益要比感性耦合高。1縫隙天線組合結(jié)構(gòu)振子天線是廣泛使用,研究的最多的天線,在與之互補的縫隙天線兩端引入蝶形開口,以實現(xiàn)振子與蝶形天線相結(jié)合的組合結(jié)構(gòu)天線。錐形天線結(jié)構(gòu)的一個重要參數(shù)就是錐形的頂角,因此通過改變蝶形開口的張角來調(diào)節(jié)天線的性能。通常天線的安裝使用環(huán)境是一個有限的空間,天線的外形尺寸受到限制,因此在長寬固定有限的空間內(nèi),通過調(diào)節(jié)組合結(jié)構(gòu)天線的各個單元尺寸來實現(xiàn)張角的改變。在圖1所示結(jié)構(gòu)天線中,襯底材料是介電常數(shù)εr=2.17的ArlonCuClad217,長60mm,寬30mm,厚h為2mm。縫隙的長度為L,寬度為W,其中振子的長度2×Ld。調(diào)節(jié)共面波導(dǎo)的信號線寬度Wf以及其縫隙寬度s使其特征阻抗為50Ω。圖1(a)所示的結(jié)構(gòu)中,共面波導(dǎo)終端短路,信號線直接與接地板相連,在連接處、終端縫隙周圍存在高頻電流,因而有磁場能量的存儲,所以稱之為感性耦合饋電。圖1(b)所示的結(jié)構(gòu)中,共面波導(dǎo)終端開路,信號線與地線間存在一個間隙,在這個間隙中有高頻電場存在,所以稱之為容性耦合饋電。根據(jù)文獻(xiàn)公式L=1.6λ0/εr??√?W=0.56λ0/εr??√(1)L=1.6λ0/εr?W=0.56λ0/εr(1)來確定縫隙天線的長L和寬W,其中λ0為真空中波長,εr??√εr為襯底介質(zhì)的介電常數(shù)。(1)式是貼片天線所使用的設(shè)計式,由于縫隙天線和貼片天線是互補的,故本文設(shè)計的天線使用(1)式來確定組合結(jié)構(gòu)天線的總長和蝶形開口的大小。設(shè)計諧振頻率為10GHz,由于天線上面是空氣而非介質(zhì),所以實際尺寸應(yīng)比計算尺寸大,選取L=42mm,W=12.7mm。在圖1所示結(jié)構(gòu)的天線中,振子與蝶形尺寸相互影響,振子結(jié)構(gòu)對天線增益有影響,而蝶形結(jié)構(gòu)對天線帶寬有影響。當(dāng)振子尺寸變大時,蝶形尺寸變小,天線整體性能會改變,反之亦然。所以振子與蝶形部分尺寸就存在一個最佳組合,通過改變振子長度Ld來調(diào)整尺寸,來調(diào)節(jié)天線的帶寬和方向圖,使天線性能達(dá)到最優(yōu)。2輻射特性的研究在保持縫隙的長度L和寬度W不變的情況下,系統(tǒng)研究了襯底厚度的影響,以及感性耦合、容性耦合兩種設(shè)計在不同振子長度Ld(即不同的開口張角)下的帶寬、方向圖和增益等輻射特性。(1)襯底厚度對振幅頻率的影響圖2顯示了感性耦合和容性耦合時,襯底厚度變化對組合結(jié)構(gòu)天線S11的影響。組合結(jié)構(gòu)天線參數(shù)為:感性耦合時,振子長度Ld為4mm,容性耦合時Ld為9mm(Ld的選取見后面部分的討論),襯底厚度從1.5mm變到3.0mm,變化步長為0.5mm。從圖中可以看到當(dāng)厚度增加時,天線的諧振頻率有所降低,帶寬變化不大。這是由于厚度增加時,襯底的有效介電常數(shù)增加,有效介質(zhì)波長減小,使天線的電尺寸增加,為了保持諧振時的電尺寸不變,天線的諧振頻率必須降低。影響天線帶寬的是天線中各結(jié)構(gòu)的比例,所以襯底厚度對天線帶寬的影響不大。由于襯底起到支撐天線的作用,而平面天線剖面不能過高,所以設(shè)計時采用的高度為2mm,此時襯底能較好的支撐天線,同時不會因為襯底過厚而影響天線的安裝。(2)組合結(jié)構(gòu)天線的帶寬圖3是感性耦合時,保持縫隙的長度L和寬度W不變,只調(diào)整振子長度Ld得到的結(jié)果。從表1數(shù)據(jù)可以得到,當(dāng)Ld為1mm時,此時天線退化為單一結(jié)構(gòu)的蝶形領(lǐng)結(jié)縫隙天線,帶寬為10.44%,Ld為21mm時,天線為單一結(jié)構(gòu)的振子縫隙天線,帶寬為5.9%;當(dāng)Ld為4mm、9mm時,為組合結(jié)構(gòu)天線,帶寬都比振子有所增加。這是由于在天線兩端縫隙成開口狀,增加了天線的帶寬。而且由圖2可以明顯看到,Ld=4mm時,諧振頻率時的S11比單獨振子天線或蝶形領(lǐng)結(jié)天線都要小,但此時諧振頻率要低約0.3GHz。圖4是容性耦合時,同樣調(diào)整振子長度Ld得到的結(jié)果,從表2中可以看出組合結(jié)構(gòu)天線帶寬比兩種單一結(jié)構(gòu)天線的帶寬寬。比較表1和表2,可以看到容性耦合的諧振頻率比感性耦合要高4GHz左右,這是兩邊的縫隙接通的緣故。此外,容性耦合的帶寬也比感性耦合的要窄,這是由于容性耦合時,共面波導(dǎo)中心線開路呈容性,而感性耦合時,共面波導(dǎo)中心線短路呈感性,所以容性耦合時整個天線的分布電容要比感性耦合時大,這就引起天線的Q值增加,帶寬減小。容性耦合時組合結(jié)構(gòu)天線的帶寬比單-結(jié)構(gòu)的蝶形或振子天線都要寬?？梢赃@樣理解,當(dāng)在蝶形天線中引入振子時,使得縫隙兩邊金屬的耦合增加,使帶寬增加;從另一個角度來看,在振子天線中引入蝶形,從而天線的帶寬變寬。(3)組合結(jié)構(gòu)天線的方向圖圖5是組合結(jié)構(gòu)天線的方向圖,可以看到y(tǒng)-z平面內(nèi)的方向圖已經(jīng)不是各向同性,而一般的振子天線應(yīng)該是各向同性的,顯而易見,組合結(jié)構(gòu)天線的方向圖發(fā)生了分裂。由圖5可以看到,雖然容性耦合與感性耦合時,y-z平面方向圖都發(fā)生分裂,但是容性耦合時y-z平面y方向的波瓣也受到抑制,能量集中在中間的主波束。這說明容性耦合這種饋電方式在組合結(jié)構(gòu)天線中更有利于能量的集中。(4)結(jié)構(gòu)天線以及蝶形天線圖6是改變振子長度Ld時增益變化的曲線。圖中三組數(shù)據(jù)分別是Ld=1mm,9mm,21mm,代表三種不同結(jié)構(gòu)形式的天線:振子天線、組合結(jié)構(gòu)天線以及蝶形天線。從圖中可知,容性耦合饋電方式比感性耦合方式增益大3dB,這可以從前一小節(jié)中對方向圖的討論來理解,容性耦合時能量集中了,增益也就提高了。此外,從前面的討論中可知,容性耦合時帶寬比感性耦合時要小些,天線帶寬和增益時一對相互制約的因素,感性耦合時帶寬較寬,增益就會相對小些。在兩種饋電方式下,組合結(jié)構(gòu)天線的增益比單一結(jié)構(gòu)振子或蝶形天線都有所增加,可見組合結(jié)構(gòu)天線確實能提高天線的增益。3口裂縫前后天線的帶寬和方向圖旁瓣的影響本文討論了蝶形開口振子縫隙天線,在縫隙振子天線兩