L型探针馈电的微带天线的仿真研究与设计＊

王渊博，宋 铮，吴 伟

（电子工程学院脉冲功率激光技术国家重点实验室，合肥 230037）

0 引言

微带天线经过30多年的不断发展，已经在卫星通信、雷达、遥感、导弹遥控、电子对抗、医用设备等领域得到了广泛应用。但如何提高微带天线的性能依然是研究者们不断追求的目标。馈电方式是影响微带天线性能的一个重要方面。微带天线常见的馈电方式主要有探针馈电、微带线馈电还有孔缝耦合馈电等。其中探针馈电在微带天线中是用的比较多的一种馈电方式。对于介质层比较厚的微带天线采用探针馈电，由于探针比较长，导致天线输入阻抗的电感性加强，影响天线的带宽。为了克服这一缺点，可以采用脊型地板技术[1]，另外采用L型探针馈电也可以有效的克服这一影响[2]。与其他展宽频带技术相比，采用L型探针馈电通常介质层是空气层或为与空气介电常数差不多的泡沫，因此具有重量轻、方便、易于制作、成本低等优点。目前L型探针馈电已经应用于微带天线的设计中[3－5]。

文中主要是采用矩量法对L型探针馈电进行研究，目的是想要得到它对基本微带结构性能的影响具有那几方面的因数，以期对L型探针馈电微带天线的设计提供一些指导。并最后设计一副频率覆盖通信卫星下行传输信号频段3.2～4.4GHz的带有介质层的L型探针馈电的微带天线。

1 天线基本模型

对于介质厚度为h，天线工作频率为f的矩形微带天线，根据文献[6]计算矩形贴片的宽度和长度的经验公式为：

式（1）、式（2）中：c为光速，εe为等效介电常数且有：

根据式（1）～式（4），设计天线的基本模型如图1所示，金属地板的大小为Gw×Gl＝100mm×100mm，金属贴片的大小为W×L＝30mm×24mm，介质层为空气，金属贴片用泡沫板固定，泡沫板的介电常数与空气的差不多为εr＝1.06，探针半径为r＝0.5mm，距贴片边的距离S＝2mm。天线的工作频率为f0＝5GHz，相应的波长λ0＝0.06m。

图1 天线的基本模型

2 天线的MOM分析

根据等效原理建立求解天线的电场积分方程为：

其中：J为等效电流，Ei为激励源产生的电场，且：

将等效电流利用RWG函数[7]展开：

采用伽辽金法对方程进行离散有：

金属地板以及金属贴片采用平面三角形进行剖分建模，而对于探针的建模通常有两种方式：细带等效[8]和立方柱体等效[9]，如图2所示。

细带与金属底板的公共边对应3对三角面对，即三角形m与三角形p、三角形m与三角形n、三角形p与三角形n，具体计算过程中为了避免重复需要去掉三角形m与三角形p面对，对剩余的两个面对公共边施以δ函数发生器。同样立方柱体底端4条边每条边均对应3对三角面对，由于电流仅分布于柱体表面，故柱体底面与其侧面所形成的面对应去掉。δ电压源则加在柱体与金属底板构成4条公共边上，为了保证电流的流向符合实际馈电情况，规定位于金属底板上的三角形为正三角形，柱体表面的为负三角形。

图2 探针等效

下面就以上两种等效方法对L型探针进行等效，计算图1所设计的天线取Lv＝9mm，Lh＝0.7mm，H＝6mm （0.1 λ0），并与HFSS、FEKO仿真软件仿真结果进行比较，如图3所示，从中可以看出无论是细带等效还是立方柱体等效与HFSS、FEKO仿真软件仿真结果均相差很多，这是由于L型探针馈电是通过耦合作用于金属贴片，细带和立方柱体不能用于等效L型探针馈电，不能够准确描述探针和金属贴片之间的耦合作用。至于HFSS与FEKO的结果存在差异是由两者的计算方法不同且馈电的处理不同引起的。

图3 细带及立方柱体等效结果与HFSS、FEKO结果的比较

图4 直接剖分结果与HFSS、FEKO结果比较

为了准确模拟探针和金属贴片之间的耦合作用，需要保持探针的结构不能改变，故将圆柱形探针的外表面直接用三角形剖分建模。探针与金属底板接触处的馈电处理和立方柱体的处理方法相同。仿真计算结果如图4所示，通过与HFSS以及FEKO对比，可以看到三者结果吻合得较好，尤其是同FEKO仿真结果的吻合，这说明了文中计算程序是正确的。

3 天线参数分析

在天线基本结构不变的情况下，即地板大小、贴片大小、馈电点位置以及所采用的介质相同，L型探针馈电的微带天线与普通探针馈电的微带天线相比，导致性能上的差异主要来自受H、Lv、Lh取值的影响。下面就对H、Lv、Lh的取值做具体分析。

3.1 H的取值影响

采用L型探针馈电目的就是抵消普通探针馈电由于介质层较厚所产生的较大电感，使天线达到较大带宽。取Lv＝9mm，Lh＝0.7mm，对H取不同的值分别对两种天线进行仿真对比，仿真结果如表1所示。

表1 H的取值影响

从表1仿真结果来看，不是在H取任何值L型探针馈电的微带天线都优于普通探针馈电的微带天线，在Lv、Lh一定的情况下，当H ≤0.07λ0时，采用L型探针馈电对微带天线的带宽改善不大，而且天线的工作频率也不同，L型探针馈电天线的工作频率较低；当H≥0.08λ0时，采用L型探针馈电对微带天线的带宽有明显的改善。这也说明了只有当H取值较大时，从试验来看当H≥0.08λ0时，采用L型探针馈电对改善天线的性能具有较大帮助。尤其是当由于介质层太厚采用普通探针馈电导致天线根本无法匹配的情况下，采用L型探针馈电可以极大改善天线的工作带宽，如果要求S11＜－10dB，相对带宽可以达到30%以上。这也符合文献[2]的试验结果。

3.2 Lv、Lh 的取值影响

由于抵消电容的大小同时与Lv、Lh有关，下面同时考虑Lv、Lh的变化对采用L型探针馈电的微带天线的影响。取 H ＝6mm （0.1 λ0）。Lv、Lh的单位为mm，带宽BW用 （fmin、fmax）x%表示，其中fmin、fmax分别为低频点和高频点，单位为GHz，x%为相对带宽。计算结果如表2所示，从中可以得到以下结论：

1）由于抵消电容的大小与Lv成正比，与Lh成反比，故天线带宽与Lv、Lh的取值密切相关。天线带宽的高频端fmax主要受Lv的影响，fmax随Lv增大而减小；天线带宽的低频端fmin主要受Lh的影响，fmin随Lh增大而增大；由于H一定，当Lv变大时，为使天线带宽达到最大，Lh取值也较大，这样就使天线的最大带宽随着Lv、Lh的增大而减小。而从MOM计算结果来看，Lv、Lh也不能取值过小，这样会使天线的最大带宽被分割。

表2 Lv、Lh的取值影响

2）图5所示为当Lv＝9mm，Lh分别取1.5mm，0.7mm，0.3mm时的电抗特性曲线。从图中可以看到，当Lh＝1.5mm时，天线工作在4.3～4.6GHz，位于电抗的前上升段，电抗呈现容性；当Lh＝0.3mm时，天线工作在4.8～5.5GHz，位于电抗的后上升段，电抗呈现感性；而当Lh＝0.7mm时，天线工作在4.0～5.7GHz，位于电抗的中间段，电抗特性随着频率的升高由感性向容性变化。由此可以得到，当L型探针馈电微带天线的带宽由于容抗偏大而限制天线带宽时，可以增加探针的高度即减小Lh，使感抗增加，从而增大天线带宽；相反当L型探针馈电微带天线的带宽由于感抗偏大而限制天线带宽时，可以减小探针的高度即增加Lh，使感抗减小，从而增大天线带宽。

3）图 6 所示为 当 Lh＝ 0.9mm，Lv分别取7.2mm、9mm、13mm时的电抗特性曲线，其中当Lv＝13mm时，天线工作在4.6～5.2GHz。从中可以得到和2）中相似的结论：当L型探针馈电微带天线的带宽由于容抗偏大而限制天线带宽时，可以增加探针的臂长即增加Lv，使容抗减小，从而增大天线带宽；相反当L型探针馈电微带天线的带宽由于感抗偏大而限制天线带宽时，可以减小探针的臂长即减小Lv，使容抗增加，从而增大天线带宽。

4）当Lv一定时，如图5所示，电抗随着Lh的增大而整体减小，这是由于Lh增大，探针高度变低，引起的感抗减小，同时L型探针与贴片产生的抵消电容减小，引起的容抗变大，导致电抗曲线随Lh的增大而下移；当Lh一定时，如图6所示，电抗会随着Lv的增大而整体增大，这是由于Lv增大，使L型探针与贴片产生的抵消电容增大，引起的容抗变小，导致电抗曲线随Lv的增大而上移。

图5 Lv＝9mm电抗特性曲线

图6 Lh＝0.9mm电抗特性曲线

4 带有介质层的L型探针馈电的微带天线设计

通过以上对L型探针的结构参数分析，可以看到对于厚介质的微带天线采用L型探针馈电可以有效的增加天线的带宽，影响天线匹配的主要参数是L型探针的高度以及其弯折臂的长度，通过合理的调节其高度及其臂长就能使天线达到匹配从而增加天线带宽。在以上只有空气层的基础上，在金属贴片下面加一厚度为h的介质层，且为了方便L型探针弯折部分采用金属片结构，其宽度为2mm，设计天线尺寸为Gw×Gl＝40mm×40mm，W×L＝22mm×22mm，H＝10mm，h＝2mm，Lh＝1.5mm，Lv＝10mm的带介质层的L型探针馈电的微带天线。利用MOM对其进行仿真计算并与HFSS软件结果进行对比如图7所示，可以看到通过采用L型探针馈电，天线带宽得到了很好改善，能够覆盖3.2～4.4GHz频段，可作为通信卫星的下行传输信号频段，而如果采用直接探针馈电则很难使天线达到匹配。

图7 带介质层的L型探针馈电的微带天线仿真结果

5 结束语

文中采用矩量法，对不同介质厚度的微带天线进行了仿真分析，得到当介质厚度大于0.8λ0（λ0为天线的中心工作频率对应波长）时，采用L型探针馈电可以有效增加天线带宽，如果要求S11＜－10dB，相对带宽可以达到30%以上。可见L型探针馈电是一种有效的馈电方式，有利于提高厚介质微带天线的带宽。文中同时分析了L型探针高度和臂长对天线性能的影响，得出可以通过判断天线阻抗的容感性，适当调整Lv、Lh就使天线达到匹配，增加带宽。在文中最后设计了一副频率覆盖3.2～4.4GHz的带有介质层的L型探针馈电的微带天线，可作为通信卫星的下行传输信号频段。

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