新型雙圓弧微帶天線設計及基片介質(zhì)影響

王鵬 王子元 蘆浩 薛茜男

摘 要： 微帶天線具有小體積、輕重量、低剖面、可共形、易極化、易生產(chǎn)和低成本等優(yōu)點，在航空電子和移動互聯(lián)中得到了廣泛應用。微帶天線基片是微帶天線結(jié)構(gòu)的重要組成部分，不同的基片介質(zhì)有不同的相對介電常數(shù)，基片介質(zhì)的選擇對微帶天線的信號傳輸影響很大?；谛滦碗p圓弧微帶結(jié)構(gòu)，設計一種信號傳輸特性優(yōu)、帶寬較寬的新型微帶天線，并對六種不同基片介質(zhì)的新型微帶天線模型進行仿真，通過對仿真數(shù)據(jù)的分析比較，得出FR?4諧振抑制深度最大、信號傳輸損耗最小、信號輸出特性最佳。

關鍵詞： 微帶天線； 航空電子； 移動互聯(lián)； 相對介電常數(shù)； HFSS； FR?4

中圖分類號： TN826?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）17?0045?04

Abstract： The microstrip antenna has the advantages of small volume， light weight， low profile， tolerable shape pairing， easy polarization， easy production and low cost， and is widely used in avionics and mobile interconnection. The substrate of the microstrip antenna acts as an important part of its structure. Since the different substrate media have different relative permittivity， the selection of substrate medium has great influence on the signal transmission of microstrip antenna. On the basis of the new biarc microstrip structure， a new microstrip antenna with excellent signal transmission characteristic and wide bandwidth was designed， and the six new microstrip antenna models with different substrate media were simulated. The analysis and comparison results of simulation data show that the FR?4 taken as the substrate medium has the largest resonant suppression depth， minimum signal transmission loss， and best signal output characteristic.

Keywords： microstrip antenna； avionics； mobile interconnection； relative permittivity； HFSS； FR?4

0 引 言

在無線通信技術中，將來自發(fā)射端的導波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波，或者將無線電波轉(zhuǎn)換為導波能量，用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線[1]。在航空、衛(wèi)星及GPS系統(tǒng)等高端科技領域中，對天線的大小、質(zhì)量、形狀等要素必須嚴格控制[2]，所以傳統(tǒng)的天線無法滿足這些高端科技領域的要求。

20世紀50年代，G.A.Deschamps教授提出一種利用微帶線輻射原理制成的天線，被稱為微帶天線[3]。因為當時沒有較合適的微波介質(zhì)材料[4]，所以微帶天線并未得到很好的發(fā)展。直到20世紀70年代，新材料技術經(jīng)過20年的研究有了很大的進展，科學家們找到了適合做微帶天線基片的具有低損耗正切特性和良好熱特性及機械特性的基片介質(zhì)，使得微帶天線有了突破性的進展[5]。如今，微帶天線已經(jīng)成為最具有發(fā)展前景的天線類型之一，因具有小體積、輕重量、低剖面、可共形、易極化、易生產(chǎn)和低成本等優(yōu)點[6]，在航空電子和移動互聯(lián)兩個最具前途的產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛應用。

微帶天線基片是微帶天線結(jié)構(gòu)的重要組成部分，基片介質(zhì)的選擇對微帶天線的信號傳輸特性影響很大，傳統(tǒng)的基片介質(zhì)包括聚四氟乙烯、氰酸酯等[7]。不同的基片介質(zhì)有不同的相對介電常數(shù)[8]和介質(zhì)損耗角正切[9]。相對介電常數(shù)又叫電容率[10]，是表征電介質(zhì)的最基本的參量，也是衡量電介質(zhì)在電場下的極化行為或儲存電荷能力[11]的參數(shù)，即表示電荷的存儲能力；介質(zhì)損耗角正切是指電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生的有功功率和無功功率的比值。不同形狀的微帶天線具有不同的信號傳輸特性，適合它們的基片介質(zhì)也會有所不同。

本文基于新型雙圓弧微帶結(jié)構(gòu)，利用Ansoft HFSS軟件模型仿真，設計一種諧振抑制深度更低、諧振影響頻率帶寬更寬的新型雙圓弧微帶天線，與傳統(tǒng)微帶天線相比具有優(yōu)異的信號傳輸特性。在雙圓弧微帶結(jié)構(gòu)基礎上，利用HFSS軟件對六種不同基片介質(zhì)的新型微帶天線結(jié)構(gòu)模型進行仿真，通過對仿真數(shù)據(jù)的分析比較，得出基片介質(zhì)為FR?4時，新型雙圓弧微帶天線的諧振抑制深度最低、諧振影響頻率帶寬最寬、信號傳輸特性最佳。

1 新型雙圓弧微帶天線設計與數(shù)據(jù)分析

1.1 新型雙圓弧微帶天線設計

本文提出的新型雙圓弧微帶天線模型如圖1所示。模型的設計尺寸如下，[r1=]2.8 mm，[r2=2] mm，[w1=w2=]0.4 mm，[w3=3] mm，[w4=8.2 ]mm， [s1=7.8] mm，[s2=10] mm，[a=21.8] mm，[b=12] mm，[h1=0.035] mm，[h2=0.6] mm。圖2為傳統(tǒng)的雙F微帶天線。

采用Ansoft HFSS電磁仿真軟件對提出的新型雙圓弧微帶天線進行仿真建模。圖3是新型雙圓弧微帶天線模型的三維視圖。在新型雙圓弧微帶天線末端設置兩個尺寸相同的集總端口port1和port2，port1和port2的長度、寬度分別為3 mm，0.6 mm。將集總端口port1設置為輸入端口，左微帶天線為輸入端口微帶天線，port2設置為輸出端口，右微帶天線為輸出端口微帶天線，采用50 Ω同軸激勵進行研究。

1.2 仿真分析

選用相對介電常數(shù)為4.4的環(huán)氧樹脂?玻璃（FR?4）作為新型雙圓弧微帶天線模型基片的介質(zhì)，通過Ansoft HFSS電磁仿真分析，得出新型雙圓弧微帶天線的自反射系數(shù)曲線（[S11]曲線）。

雙F微帶天線是一種典型的微帶天線結(jié)構(gòu)，本文對新型雙圓弧微帶天線和雙F微帶天線的信號傳輸特性進行比較。如圖4所示，雙F微帶天線[S11]曲線的諧振點數(shù)為2，諧振點坐標為（3.44，-1.68）和（5.44，-2.65），諧振抑制深度為-2.65 dB，諧振影響頻率帶寬為2 GHz；而新型雙圓弧微帶天線[S11]曲線的諧振點數(shù)為2，諧振點坐標為（3.04，-1.67）和（4.12，-2.64），諧振抑制深度為[-2.64] dB，諧振點影響頻率帶寬為1.08 GHz。與雙F微帶天線相比，新型雙圓弧微帶天線[S11]曲線的諧振抑制深度提高了0.01 dB，諧振影響頻率帶寬下降了0.92 GHz，由此可見，新型雙圓弧微帶天線的信號傳輸損耗明顯小于傳統(tǒng)的雙F微帶天線，具有更優(yōu)異的信號傳輸特性。

2 新型雙圓弧微帶天線設計與數(shù)據(jù)分析

2.1 基片介質(zhì)對高頻信號特性的影響

在高頻信號傳輸過程中，微帶天線基片可能會因為基片介質(zhì)選擇問題產(chǎn)生極化、儲存電荷和熱能等嚴重影響高頻信號傳輸因素[12]，因此，選擇一種物理參數(shù)適合微帶天線高頻信號傳輸?shù)幕橘|(zhì)是必須考慮的問題。影響高頻信號傳輸?shù)奈锢韰?shù)包括相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，它們都會對微帶天線信號傳輸特性產(chǎn)生一定的影響。

本文選擇了六種典型的基片介質(zhì)進行研究。六種典型介質(zhì)的名稱及對應的相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切如表1所示。

2.2 數(shù)據(jù)比較

采用Ansoft HFSS電磁仿真軟件對六種不同基片介質(zhì)的新型雙圓弧微帶天線模型進行仿真分析，得出六種模型的[S11]參數(shù)曲線，如圖5所示。

從圖5中可以看出，當基片介質(zhì)為聚四氟乙烯時，[S11]參數(shù)曲線的諧振點數(shù)為3；當基片介質(zhì)為水時，[S11]參數(shù)曲線的諧振點數(shù)為4；而當基片介質(zhì)為其他四種介質(zhì)時，[S11]參數(shù)曲線的諧振點數(shù)為2。由于[S11]參數(shù)曲線的諧振點數(shù)越多，微帶天線的信號傳輸損耗越大，而且諧振點數(shù)對信號傳輸損耗特性的影響最大，所以排除介質(zhì)聚四氟乙烯和水。

根據(jù)圖5中的[S11]參數(shù)曲線，得出基片介質(zhì)為空氣時，[S11]參數(shù)曲線的諧振點坐標為（4.36，-5.42）和（5.52，-4.26）；基片介質(zhì)為氰酸酯/玻璃時，[S11]參數(shù)曲線的諧振點坐標為（3.28，-1.19）和（4.4，-6.14）；基片介質(zhì)為FR?4時，[S11]參數(shù)曲線的諧振點坐標為（3.04，-1.67）和（4.12，-2.64）；基片介質(zhì)為陶瓷填充聚四氟乙烯時，[S11]參數(shù)曲線的諧振點坐標為（2.76，-2.97）和（3.84，-4.96）。根據(jù)四種基片介質(zhì)模型[S11]曲線諧振點坐標，得出信號傳輸損耗特性如表2所示。

圖6為四種基片介質(zhì)新型雙圓弧微帶天線模型信號傳輸損耗特性折線圖。從表2和圖6可以看出，當基片介質(zhì)為FR?4和陶瓷填充聚四氟乙烯時，諧振影響頻率帶寬最小，為1.08 GHz；當基片介質(zhì)為FR?4時，諧振抑制深度最大，為-2.64 dB。綜合考慮，當基片介質(zhì)為FR?4時，新型雙圓弧微帶天線的信號傳輸損耗最小，信號輸出特性最佳。

2.3 仿真電場分布圖比較和驗證

圖7為六種不同基片介質(zhì)微帶天線的仿真電場分布圖，從圖中可以看出，當基片介質(zhì)為水時，輸入端口微帶天線（左微帶天線）和輸出端口微帶天線（右微帶天線）的電場能量幾乎為零，說明兩條微帶天線信號傳輸特性最差。

通過對其他五種基片介質(zhì)微帶天線的仿真電場分布圖比較可以看出，當基片介質(zhì)為FR?4時，輸入端口微帶天線和輸出端口微帶天線的電場分布最相似，說明兩條微帶天線信號傳輸特性最好。這進一步證明了當基片介質(zhì)為FR?4時，新型雙圓弧微帶天線的信號傳輸損耗最小，信號輸出特性最佳的結(jié)論。

3 結(jié) 語

本文提出一種新型雙圓弧微帶天線結(jié)構(gòu)，通過Ansoft HFSS電磁仿真分析，得出新型雙圓弧微帶天線的諧振抑制深度為-2.64 dB，諧振點影響頻率帶寬為1.08 GHz。與雙F微帶天線相比，新型雙圓弧微帶天線的諧振抑制深度提高了0.01 dB，諧振影響頻率帶寬下降了0.92 GHz。由此可見，新型雙圓弧微帶天線的信號傳輸損耗明顯小于傳統(tǒng)的雙F微帶天線，信號傳輸特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的雙F微帶天線。本文進一步探究了基片介質(zhì)對微帶天線信號傳輸特性的影響，利用HFSS對六種不同基片介質(zhì)的新型雙圓弧微帶天線模型進行仿真分析和數(shù)據(jù)比較，得出當基片介質(zhì)為FR?4時，新型雙圓弧微帶天線的信號傳輸損耗最小，信號輸出特性最佳。研究結(jié)果表明，選取介質(zhì)為FR?4的新型雙圓弧微帶天線可獲得較好的高頻信號傳輸特性。

注：本文通訊作者為薛茜男。

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