1 引言

微帶天線，由于其重量輕，尺寸小的優(yōu)點，已經被廣泛的使用在各種場合。然而，眾所周知，傳統(tǒng)微帶天線的帶寬很窄，只有大約5%左右，嚴重影響了微帶天線在寬帶領域的應用。眾多學者為解決這個問題提出了很多有用的設計方案來提高微帶天線的帶寬。這些技術主要有：寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡技術，疊層或平面結構中的多諧振頻率技術，U型槽加載，容性探針饋電，和L型探針饋電，E型微帶貼片天線。帶V型槽的矩形微帶天線。

一般情況下，傳統(tǒng)的矩形微帶貼片天線的阻抗帶寬約為5%左右。然而,增加介質底板的厚度, 可以一定程度上增加天線的阻抗帶寬。但是隨著饋電探針的增長，天線的饋電端口處的感性也會逐漸增大，從而造成端口處阻抗失配導致天線帶寬降低。如果在天線上刻槽則可以引入附加電容從而抵消探針加長的電感效應，使得天線端口獲得良好的匹配。而且槽的存在還能夠產生另外一個諧振頻率，只要適當?shù)恼{節(jié)槽的位置和長度，使得槽的諧振頻率接近天線的諧振頻率則可以進一步增大天線的阻抗帶寬。

2 天線結構

該天線的設計要求地板大小為1cm*1cm，帶寬要求>10％，中心頻率在9.6GHZ。結合微帶天線的知識我們知道：9.6GHZ的中心頻率對應的真空波長為3.125cm，半波長則為1.5625cm。當使用等效介電常數(shù)為2.5的襯底材料時,等效介質中的半波長約為1cm。本文在u型微帶貼片的基礎上，取u型天線的一半來設計，即簡化了設計參數(shù)又減小了貼片天線的尺寸，天線帶寬在20%以上，貼片大小在1平方厘米以內，探針饋電，中心頻率交叉極化-10 dBi左右，增益2dBi左右。天線的單元設計和參數(shù)優(yōu)化均使用商業(yè)軟件ZELAND IE3D。微帶天線的襯底介質e=2.5，介質厚度h=2mm, 損耗角正切tans=0.0015。天線結構實物圖如圖1所示。

圖1 半U型開槽微帶貼片天線實物圖

圖2 半U型開槽微帶貼片天線仿真S11

圖3 半U型開槽微帶貼片天線中心頻率方向圖

圖4 半U型開槽微帶貼片天線實測帶寬(25.5%)。

ψ=0

ψ=90

圖5 半U型開槽微帶貼片天線中心頻率實測方向圖

圖2為該天線結構在商業(yè)軟件ZELAND IE3D中建模分析的阻抗特性曲線。從圖中可以看出天線電磁仿真的相對帶寬為24%。圖3為該天線結構在商業(yè)軟件ZELAND IE3D中建模分析的中心頻率的遠場輻射方向圖的結果。圖4為該天線的阻抗特性曲線，從圖中可以看出該天線的實測阻抗特性曲線形狀同圖2中有些區(qū)別，但是就整個帶寬范圍而言變化不大，估計產生原因應該是仿真模型和實測模型在饋電部分的差異造成的，由于貼片結構并無變化，所以個帶寬范圍并沒有較大變化。

實測的天線阻抗帶寬約為25.5%。圖5為該天線的實測中心頻率處的遠場方向圖。同圖3的比較可以看出ZELAND IE3D的仿真結果較為平滑，圖5中的實測天線方向圖有稍微的波動，就其原因我們認為是ZELAND IE3D的計算是基于GREEN函數(shù)的分層介質模型，由于介質沒有截斷，仿真得到的遠場方向圖中沒有表面波在介質截斷面處的輻射貢獻，所以得到的仿真方向圖結果較為平滑。而實測結果中既包含了天線本身的輻射又疊加了介質截斷面處表面波的輻射，所以波瓣出現(xiàn)了稍微的波動，同時測量誤差也是造成波瓣出現(xiàn)了波動的原因之一。

3 結論

半U型槽的微帶貼片天線有25.5%的帶寬較傳統(tǒng)微帶天線的帶寬提高了5倍以上，并且在地板和天線尺寸幾乎相同的情況下天線增益達到了2dBi以上，且結構上比較簡單，加工比較方便，是一種較好小型化寬頻帶天線形式。