一种宽带X波段LTCC圆极化微带天线的设计

吴同庆

（电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川 成都 610054）

微带天线因为结构简单、体积小、重量轻、低剖面、易与载体共形、便于后端控制电路集成等优点，被广泛应用于卫星/导航以及雷达等系统中。圆极化微带天线具有较强的抗干扰能力，已广泛地应用于电子侦察和电子对抗等领域[1]。然而微带阵列天线带宽较窄，结合低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）技术的多层基板工艺特点，采用新型结构可以有效增大天线带宽，便于天线和T/R组件集成。

为了提高微带天线的带宽，国内外学者[2-7]提出了一系列的方法来提高微带天线的带宽，例如利用寄生、使用低介电常数基板等。本文在双层贴片的基础上，进行一系列的改进，提高天线的阻抗带宽，并大幅度提高其圆极化带宽。用电磁仿真软件—高频结构仿真（High Frequency Structure Simulator，HFSS）软件对该天线进行仿真，得到了较好的阻抗带宽和圆极化带宽。

1 天线设计

1.1 天线阵列基本形状的选择

常见的贴片微带天线形状有三角形、矩形、圆形等。通常采用矩形贴片作为微带阵列天线的基本单元。对于矩形微带贴片天线，贴片长度可以根据以下理论公式进行估算。

式中，c为光速，f是天线工作的中心频率，W和L分别为矩形贴片天线的宽和长；ɛr是基板的相对介电常数，ɛre为基板的有效介电常数；ΔL为等效缝隙辐射长度。本文中，为了便于设计和仿真令W=L；该设计中f为10 GHz，基板相对介电常数ɛr为5.9，基板厚度h为1 mm；将上述参数代入公式可以估算出贴片的尺寸W和L为5.9 mm。

1.2 结构的改进

单元结构的改进措施，如图1—3所示。本文采用双层辐射贴片，如图1所示。这种类型的天线有多个谐振回路，通过调节上下层贴片的尺寸，可以调节谐振频率，使天线形成多峰谐振电路。

图1 双层辐射贴片

然后在贴片上开对称的矩形缝隙，如图2所示。矩形缝隙使能对辐射贴片上的电流路径改变量有一个很好的控制，通过改变矩形缝隙的尺寸，使天线的耦合谐振点能很好地靠近，从而实现增加阻抗带宽的目的。然后调节上下层基板的厚度，不同厚度的基板对天线阻抗带宽有着显著的影响。

图2 贴片上开对称的矩形缝隙

对贴片进行切角可以实现简并正交模分离，使得两个模阻抗相角相差90°从而实现圆极化，如图3所示。本文中对上下层贴片进行不同程度切角，对上层切较小的角，对下层切较大的角，可以有效提高轴比带宽。

图3 对辐射贴片进行切角

1.3 最终天线结构

天线单元的最终结构如图4所示。其中，上、下层基板厚度分别为h2和h1，上、下层矩形辐射贴片的边长为p2和p1，上、下层辐射贴片的等腰直角三角形切角直角边长分别为c2和c1，上、下层辐射贴片上开的矩形缝隙的长宽分别为sl和sw。

图4 最终单元结构

2 仿真结果

采用三维电磁仿真软件HFSS对该单元结构进行建模仿真，运用控制变量法对结构不断进行优化。当天线结构各参数如表1所示时，得到最好的结果如图5所示。其中，图5（a）是反射系数S11随频率变化的曲线图像，图5（b）是天线的轴比AR随频率变化的曲线图像。如图5（a）所示，该天线单元反射系数S11在8.72～10.96 GHz内小于-10 dB，相对阻抗带宽为22.4%。如图5（b）所示，当Theta和Phi都为零时，轴比AR在9.18～10.67 GHz范围内小于3 dB，相对带宽为14.9%。

表1 天线结构参数表 /mm

图5 HFSS仿真结果

3 结语

本文在采用双层矩形辐射贴片的基础上，对矩形贴片开槽和进行不同尺寸的切角，成功设计了一款较高阻抗带宽和圆极化带宽的圆极化微带天线。该方法易于实现，能够在不大幅度改变天线大小的情况下，有效提高天线的带宽，为提高微带天线带宽提供了一种新思路。

[参考文献]

[1]李中，王光明，高向军.超宽频带圆极化微带天线阵列的设计[J].现代雷达，2009（1）：66-68.

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