cpw馈电蝶形组合结构天线的设计与性能分析

cpw馈电蝶形组合结构天线的设计与性能分析

天线结构的和容性耦合由于平面天线具有厚度低、重量轻、施工方便等优点，越来越受到重视。通常微带贴片天线馈电单元和辐射单元不在同一个平面上,需要通过打孔来连接,这对一般的集成电路是不太容易实现的。而共面波导(CPW)馈电的平面天线辐射单元和馈电单元在同一平面上,更易于实现集成化,且CPW馈电天线存在两种馈电方式:感性耦合和容性耦合,更能满足不同环境对天线的要求。因此,CPW馈电的平面缝隙天线成为微小平面天线领域研究的热点。CPW馈电的天线结构形式多种多样,缝隙天线是其中一种。CPW馈电直缝隙天线也被视作为一种缝隙振子天线,而振子天线是目前广泛使用的一种天线。对于振子天线,当振子长度达到几个波长时,天线具有较高增益,但其方向图旁瓣较多,带宽也受到限制。增加带宽的常用方法之一就是使天线的特征尺寸和长度无关,而只与角度有关,如指数螺旋天线。锥形天线也是提高带宽的一种有效方法,在二维情况下锥形退化为三角形,即是常说的蝶形领结天线,也存在与之互补的缝隙天线。本文讨论了一种振子天线与锥形天线相结合的缝隙天线。对不同的衬底厚度以及感性馈电和容性馈电两种方式,采用有限元分析软件(AnsoftHFSS)进行系统地仿真分析。结果表明,对于这种组合结构天线,衬底厚度的增加使谐振频率降低,但对天线带宽的影响不大;蝶形结构的引入有效地抑制了普通振子天线的旁瓣,提高了组合结构天线的带宽,同时增益也有所增加;此外,容性耦合的增益要比感性耦合高。1缝隙天线组合结构振子天线是广泛使用,研究的最多的天线,在与之互补的缝隙天线两端引入蝶形开口,以实现振子与蝶形天线相结合的组合结构天线。锥形天线结构的一个重要参数就是锥形的顶角,因此通过改变蝶形开口的张角来调节天线的性能。通常天线的安装使用环境是一个有限的空间,天线的外形尺寸受到限制,因此在长宽固定有限的空间内,通过调节组合结构天线的各个单元尺寸来实现张角的改变。在图1所示结构天线中,衬底材料是介电常数εr=2.17的ArlonCuClad217,长60mm,宽30mm,厚h为2mm。缝隙的长度为L,宽度为W,其中振子的长度2×Ld。调节共面波导的信号线宽度Wf以及其缝隙宽度s使其特征阻抗为50Ω。图1(a)所示的结构中,共面波导终端短路,信号线直接与接地板相连,在连接处、终端缝隙周围存在高频电流,因而有磁场能量的存储,所以称之为感性耦合馈电。图1(b)所示的结构中,共面波导终端开路,信号线与地线间存在一个间隙,在这个间隙中有高频电场存在,所以称之为容性耦合馈电。根据文献公式L=1.6λ0/εr−−√‚W=0.56λ0/εr−−√(1)L=1.6λ0/εr‚W=0.56λ0/εr(1)来确定缝隙天线的长L和宽W,其中λ0为真空中波长,εr−−√εr为衬底介质的介电常数。(1)式是贴片天线所使用的设计式,由于缝隙天线和贴片天线是互补的,故本文设计的天线使用(1)式来确定组合结构天线的总长和蝶形开口的大小。设计谐振频率为10GHz,由于天线上面是空气而非介质,所以实际尺寸应比计算尺寸大,选取L=42mm,W=12.7mm。在图1所示结构的天线中,振子与蝶形尺寸相互影响,振子结构对天线增益有影响,而蝶形结构对天线带宽有影响。当振子尺寸变大时,蝶形尺寸变小,天线整体性能会改变,反之亦然。所以振子与蝶形部分尺寸就存在一个最佳组合,通过改变振子长度Ld来调整尺寸,来调节天线的带宽和方向图,使天线性能达到最优。2辐射特性的研究在保持缝隙的长度L和宽度W不变的情况下,系统研究了衬底厚度的影响,以及感性耦合、容性耦合两种设计在不同振子长度Ld(即不同的开口张角)下的带宽、方向图和增益等辐射特性。(1)衬底厚度对振幅频率的影响图2显示了感性耦合和容性耦合时,衬底厚度变化对组合结构天线S11的影响。组合结构天线参数为:感性耦合时,振子长度Ld为4mm,容性耦合时Ld为9mm(Ld的选取见后面部分的讨论),衬底厚度从1.5mm变到3.0mm,变化步长为0.5mm。从图中可以看到当厚度增加时,天线的谐振频率有所降低,带宽变化不大。这是由于厚度增加时,衬底的有效介电常数增加,有效介质波长减小,使天线的电尺寸增加,为了保持谐振时的电尺寸不变,天线的谐振频率必须降低。影响天线带宽的是天线中各结构的比例,所以衬底厚度对天线带宽的影响不大。由于衬底起到支撑天线的作用,而平面天线剖面不能过高,所以设计时采用的高度为2mm,此时衬底能较好的支撑天线,同时不会因为衬底过厚而影响天线的安装。(2)组合结构天线的带宽图3是感性耦合时,保持缝隙的长度L和宽度W不变,只调整振子长度Ld得到的结果。从表1数据可以得到,当Ld为1mm时,此时天线退化为单一结构的蝶形领结缝隙天线,带宽为10.44%,Ld为21mm时,天线为单一结构的振子缝隙天线,带宽为5.9%;当Ld为4mm、9mm时,为组合结构天线,带宽都比振子有所增加。这是由于在天线两端缝隙成开口状,增加了天线的带宽。而且由图2可以明显看到,Ld=4mm时,谐振频率时的S11比单独振子天线或蝶形领结天线都要小,但此时谐振频率要低约0.3GHz。图4是容性耦合时,同样调整振子长度Ld得到的结果,从表2中可以看出组合结构天线带宽比两种单一结构天线的带宽宽。比较表1和表2,可以看到容性耦合的谐振频率比感性耦合要高4GHz左右,这是两边的缝隙接通的缘故。此外,容性耦合的带宽也比感性耦合的要窄,这是由于容性耦合时,共面波导中心线开路呈容性,而感性耦合时,共面波导中心线短路呈感性,所以容性耦合时整个天线的分布电容要比感性耦合时大,这就引起天线的Q值增加,带宽减小。容性耦合时组合结构天线的带宽比单-结构的蝶形或振子天线都要宽。可以这样理解,当在蝶形天线中引入振子时,使得缝隙两边金属的耦合增加,使带宽增加;从另一个角度来看,在振子天线中引入蝶形,从而天线的带宽变宽。(3)组合结构天线的方向图图5是组合结构天线的方向图,可以看到y-z平面内的方向图已经不是各向同性,而一般的振子天线应该是各向同性的,显而易见,组合结构天线的方向图发生了分裂。由图5可以看到,虽然容性耦合与感性耦合时,y-z平面方向图都发生分裂,但是容性耦合时y-z平面y方向的波瓣也受到抑制,能量集中在中间的主波束。这说明容性耦合这种馈电方式在组合结构天线中更有利于能量的集中。(4)结构天线以及蝶形天线图6是改变振子长度Ld时增益变化的曲线。图中三组数据分别是Ld=1mm,9mm,21mm,代表三种不同结构形式的天线:振子天线、组合结构天线以及蝶形天线。从图中可知,容性耦合馈电方式比感性耦合方式增益大3dB,这可以从前一小节中对方向图的讨论来理解,容性耦合时能量集中了,增益也就提高了。此外,从前面的讨论中可知,容性耦合时带宽比感性耦合时要小些,天线带宽和增益时一对相互制约的因素,感性耦合时带宽较宽,增益就会相对小些。在两种馈电方式下,组合结构天线的增益比单一结构振子或蝶形天线都有所增加,可见组合结构天线确实能提高天线的增益。3口裂缝前后天线的带宽和方向图旁瓣的影响本文讨论了蝶形开口振子缝隙天线,在缝隙振子天线两