1  引言

微帶天線由于其體積小、重量輕、剖面低、易于和載體共形、及易于加工和電路集成等諸多優點，在通信和雷達領域得到了廣泛的應用。但是其固有的頻帶窄，一般典型微帶天線的帶寬在0.7%到7%左右，功率容量低，限制了其應用。近年來許多國內外的天線工作者在圍繞如何展寬微帶天線的帶寬上做了大量的研究，也取得了顯著的成果，具體可以歸納為以下幾種方法：1增加介質基板的厚度，降低介質的介電常數；2對饋電電路采用寬帶阻抗匹配（如采用阻抗匹配電路或開縫耦合饋電等）；3采用層疊貼片實現多貼片諧振；4采用開槽加載技術；5修改貼片形狀；6新型基片材料的使用。在通常情況下，可以采用多種方法相結合的方法，這樣往往能夠取得比較好的效果。

在諸多方法中采用口徑耦合饋電擴展微帶天線的帶寬是比較成功的一種方法。這種耦合饋電的方法最早是由Pozar于1985年提出的，與傳統的同軸饋電或側饋相比，縫隙耦合饋電結構的主要優點是，這種饋電結構更適合電路的集成；由于采用了不共面的設計，由地面把輻射部分和饋電結構隔開，減少或消除了饋電結構對天線方向圖的寄生輻射影響，能獲得寬頻帶的駐波比特性。Vivek通過實驗的方法研究了幾種開不同的耦合槽對天線耦合量的影響，實驗證明開H型耦合槽可以得到較大的耦合量，開H形槽耦合的微帶天線一般可以獲得10%(VSWR<2)左右的相對帶寬,而且具有良好的交叉極化性能。文獻使用了H型槽耦合饋電達到了寬頻帶和高增益的較好效果。通過修改H型槽從而獲得了良好的極化效果和寬頻帶特性。此外，改進了H型耦合饋電的結構，在H型槽耦合饋電的基礎上，在輻射貼片上也開H型槽，增強了饋線與貼片之間的耦合，從而擴展了天線的帶寬。

在以上的研究基礎上，本文采用了H型槽耦合饋電，并在輻射貼片邊緣處開縫的結構，以實現較寬頻帶的阻抗帶寬。通過仿真發現該種新結構的微帶天線在中心頻率14.5GHz能夠達到39.8%的阻抗相對帶寬（S11<-10db）。表明該結構能夠有效地展寬微帶天線的帶寬。

2  天線結構設計

這種寬頻帶微帶天線結構如圖1所示，圖1(a)是天線的側視圖，它是由四層介質和貼片構成的。其中第二層介質Foam是介電常數為1.0006的泡沫塑料，其他三層介質均是介電常數為2.2的Rogers RT/duroid 5880 (tm)材料，er0=er2=er3=2.2，er1=1.0006。天線最上方的一層Radome是由介質板構成的天線罩，用來保護天線表面，它對天線的方向圖、輻射效率、增益都略有影響。

天線的主體是由中間的兩層介質板組成，如圖1(a)所示。Foam是一層介電常數很低的泡沫塑料，對輻射貼片起支撐作用。增加該層介質基板的厚度H1，減小其介電常數er1均能起到增加微帶天線的阻抗帶寬的效果，但是厚度增加會使貼片與縫隙之間的耦合減弱，表面波增強，而且天線的尺寸增大，所以在實際設計時需要綜合考慮。Foam上附著的是矩形輻射貼片，如圖1(b)所示。輻射貼片的長度L1決定了天線的諧振頻率，由于縫隙耦合使得諧振長度與理論值有較大的出入，因此在設計時要把耦合縫隙的尺寸和貼片的尺寸結合起來考慮。寬度W1對方向圖、頻帶寬度和輻射效率都有影響，當寬度取大時對頻帶、效率和阻抗匹配都有利，但是當W1大于一定值時會產生高次模，引起場的畸變。理論研究表明當輻射貼片的寬度是長度的2倍時，阻抗帶寬能增加1.6倍左右。

本文在設計時利用了高次模的影響，取寬度接近于長度的2倍，具體的尺寸在仿真優化時可以得到。我們在貼片的邊緣處分別開了矩形窄縫，因為縫隙很窄且靠近貼片的輻射邊緣， 所以他對貼片自身的諧振頻率點幾乎沒有影響，然而由于窄縫的存在，其自身相當于一個縫隙輻射器，又能得到一個新的諧振頻點，并且該頻點是由縫隙的長度決 定，當這兩個諧振頻率點拉的很近時，就起到了擴展帶寬的效果。

在兩層介質板之間是開有H型耦合孔徑的接地板，如圖1(c)所示。其中H型槽尺寸對天線的諧 振頻率及諧振阻抗都有較大的影響，文獻[9]研究表明：la、wb長度增長，諧振頻率降低，諧振阻抗增加，這表明增長縫隙長度，饋線與貼片之間的能量耦合 能力增強。H型槽縫隙的寬度lb、wa對天線的諧振頻率和諧振電阻也有影響，只不過影響程度小于縫隙的長度。通常在設計時，為了減少背向輻射，縫隙的寬度 取較小的值，然后再通過固定縫隙的一個長度，對另一個長度進行仿真優化，而獲得理想結果。

（a） 天線側視圖

（b） 輻射貼片    

（c） 接地板

圖1  微帶天線結構示意圖

在接地板和饋線之間是一層介質板，理論上說其介電常數越大對波的束縛作用越好，減少漏波，增大能量耦合效率。饋電網絡采用50歐姆的微帶開路線，通過調節開路枝節ls的長度來改善輸入端口的阻抗特性，來實現輻射貼片的寬頻帶匹配。為了減小H型槽耦合饋電帶來的背向輻射，在天線的底部加入一反射板（Reflector），以提高天線的增益和改善天線方向圖的前后比。

3  仿真及分析

本文利用基于有限元方法的數值仿真軟件進行輔助設計，設計了一個工作在Ku波段的線極化微帶天線。由于該結構天線的參數較多，在仿真設計時我們根據理論分析了解每個參數對天線性能的可能影響，然后再分別對每個參數進行仿真優化，因此這個過程是個不斷修正不斷往復的過程，直至最終獲得滿意的結果。經過仿真優化后天線的尺寸如表1所示。

仿真得到的天線反射系數（S11）圖如圖2所示，由圖可知，該天線S11<-10db的阻抗帶寬為11.66GHz~17.45GHz，達到了39.8%的相對帶寬。優于同軸探針饋電和僅使用H型槽耦合饋電的微帶天線。仿真結果表明，采取H型槽耦合饋電，并在輻射貼片上開縫結構的微帶天線具有寬頻諧振特性。

表1  天線結構尺寸（單位：mm）

圖2  S11曲線

圖3分別給出了天線在15GHz的E面和H面方向圖，以及各自的交叉極化方向圖。由圖可知，天線E面和H面的半功率波束寬度（HPBW）分別是65°和58°。交叉極化電平分別小于-38db和-28db, 可見該天線的交叉極化特性良好。E面和H面的天線方向圖前后比分別優于19db和26db，可見由于反射板的存在，抑制了天線的背向輻射，而且提高了天線的輻射效率。這些結果表明了該結構微帶天線具有良好的電性能和輻射特性，具有一定的實際應用意義。

圖3  天線E面、H面及其交叉極化方向圖

4  結論

本文提出了一種在輻射貼片上開縫并使用H型槽耦合饋電的微帶天線結構，并利用高頻數值仿真軟件對天線結構參數進行了仿真優化，設計出了一種工作于Ku波段的天線。與傳統的H型槽耦合饋電微帶天線相比，在輻射貼片和開有H型耦合孔徑的接地板之間加入了低介電常數的泡沫塑料，并且在輻射貼片的寬邊上開有兩個窄縫隙，從而擴展了天線的阻抗帶寬。仿真結果顯示該天線獲得了39.8%的相對阻抗帶寬，交叉極化電平小于-28db，天線方向圖前后比優于19db。表明該結構天線具有良好的寬頻諧振特性和輻射特性。該天線可以應用于Ku波段的衛星通訊中。