多頻段超表面微帶天線的性能分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u30357多頻段超表面微帶天線的性能分析案例 1315671.1單頻微帶天線的設計 1303801.1.1微帶天線的設計理論 1141201.1.2天線結(jié)構(gòu) 2123971.1.3仿真與實測結(jié)果分析 3238401.2基于互補開口諧振環(huán)的雙頻微帶天線研究 4295551.2.1雙頻天線設計與參數(shù)優(yōu)化 4269781.2.2天線工作原理分析 6292641.2.3仿真與實測結(jié)果分析 958891.2.4與其它文獻的對比 11超表面的引入突破了微帶天線貼片長度必須為諧振波長一半的限制，為天線設計開拓了新思路。同時超表面的合理應用，對于實現(xiàn)天線的多頻化、小型化、高增益具有重要作用。本章在微帶天線設計中引入超表面設計思想，實現(xiàn)了天線的雙頻工作。通過分析天線表面電流及構(gòu)建等效電路模型，說明了天線工作機理。將仿真與實測結(jié)果進行對比，證實了天線設計的可靠性。單頻微帶天線的設計矩形微帶貼片天線由于結(jié)構(gòu)簡單且易于設計，因而被廣泛用于各種工程實踐當中。在確定饋電方式和介質(zhì)基板后，首先利用經(jīng)驗公式計算出所需頻段范圍內(nèi)的矩形貼片參考大小，再通過仿真軟件來對其進行具體優(yōu)化，從而確定天線的最終尺寸。接下來將介紹微帶天線設計的基本理論，并基于此設計工作在C波段的單頻天線。微帶天線的設計理論根據(jù)傳輸線模型和共振腔理論，矩形微帶貼片天線的設計共包括三個方面。首先需要參照天線類型選擇合適的饋電方式；其次，選擇相對介電常數(shù)適宜的介質(zhì)基板；最后，利用輻射貼片的理論公式計算貼片尺寸。微帶線饋電、同軸饋電、耦合饋電和縫隙饋電是微帶天線常用的四種饋電方式，其中前兩種饋電方式更為常見。本文的設計即是采用了微帶線饋電的方式。選定饋電方式后，接下來我們需要選擇合適的介質(zhì)基板。設介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)為εr，厚度為?，微帶天線的工作頻率為f。則矩形輻射貼片的寬度WW=根據(jù)傳統(tǒng)微帶天線設計理論，矩形輻射貼片的長度要和天線工作頻率處的半個導波波長相等，因此矩形貼片的長度L可表示為λe/2。其中λe如果考慮邊緣縮短效應，矩形輻射貼片單元長度L應該為：L=其中εe為天線介質(zhì)基板的有效介電常數(shù)，Δεe=在上述公式代入具體數(shù)值計算得到矩形貼片的長度和寬度，并以此作為矩形輻射貼片的原始參數(shù)值。通過電磁仿真軟件CST對貼片尺寸進行參數(shù)優(yōu)化，從而完成矩形微帶天線的設計。天線結(jié)構(gòu)C波段微帶天線已廣泛應用于衛(wèi)星通信、廣播以及導航等領域，因此依據(jù)上述理論設計了工作在6.9GHz處的矩形微帶天線，圖3-1所示為其正面和背面結(jié)構(gòu)。天線上層包括矩形貼片和兩段長條形貼片組成的饋線兩部分；中間層是相對介電常數(shù)為2.65的FR4介質(zhì)基板；下層為矩形金屬地板。圖3-1矩形微帶天線結(jié)構(gòu)使用電磁仿真軟件CST對圖3-1所示的天線結(jié)構(gòu)進行仿真，最后所得符合目標要求的矩形微帶貼片天線各尺寸如表3-1所示。表3-1矩形微帶天線參數(shù)參數(shù)值參數(shù)值a40.0mmb40.0mmt1.5mmw22.5mmwf11.5mmwf21.0mmt10.035mml114.0mml214.0mml314.0mm仿真與實測結(jié)果分析按照表3-1所示天線尺寸，利用電路板雕刻機制備矩形微帶天線樣品。加工的實物如圖3-2所示。利用矢量網(wǎng)絡分析儀測試實物天線電磁性能，其實測與仿真的回波損耗曲線對比如圖3-3所示。圖3-2矩形微帶天線實物從圖3-3中可以看出，仿真設計的矩形微帶天線在6.87GHz處產(chǎn)生諧振，且在該諧振點處的回波損耗小于-20dB。與仿真結(jié)果相比，測試的天線諧振頻點向低頻方向略微偏移，且?guī)捰休^為明顯的增加，但在新的諧振頻點處回波損耗仍然小于-20dB，滿足天線工作頻率的回波損耗小于-10dB的要求?？傮w而言，測試曲線與仿真曲線回波損耗的趨勢走向較為一致，諧振頻點基本重合。考慮到介質(zhì)基板的介電常數(shù)和加工尺寸存在誤差，因而導致仿真和測試的結(jié)果并不可能完全相同。上述頻移以及回波損耗偏差均在正常誤差范圍內(nèi)，天線回波損耗實測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，證明了天線設計方法的合理性。圖3-3回波損耗實測與仿真對比曲線基于互補開口諧振環(huán)的雙頻微帶天線研究CSRR可作為諧振器給天線增加新的頻點，同時對原諧振頻點影響較小，因而被廣泛用于多頻天線的設計。我們將第二章設計的矩形CSRR加載在圖3-1所示的天線地板上，通過參數(shù)優(yōu)化得到了工作于S、C雙波段的矩形微帶天線。通過分析天線表面電流并構(gòu)建等效電路來說明天線的工作原理。最后，將實測結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比，證明天線設計的可靠性。雙頻天線設計與參數(shù)優(yōu)化為實現(xiàn)天線的雙波段工作，對圖3-1所示的天線地板進行改進。其中，天線上層的結(jié)構(gòu)參數(shù)設置與表3-1保持一致，中間層仍然采用相對介電常數(shù)為2.65的FR4介質(zhì)基板。僅對天線地板進行再設計，圖3-4所示為地板改進過程。圖3-4天線地板改進過程如圖3-4，首先在完整金屬地板上刻蝕CSRR結(jié)構(gòu)，利用CSRR結(jié)構(gòu)的諧振特性為天線增加新的諧振點，從而實現(xiàn)雙頻天線的設計。接著，通過研究CSRR結(jié)構(gòu)參數(shù)和位置參數(shù)對諧振頻點的影響，完成雙頻天線的優(yōu)化?；谇拔牡姆治隹芍?，CSRR外環(huán)邊長對諧振頻率幾乎無影響，故在接下來的討論中不考慮該參數(shù)。圖3-5CSRR結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線回波損耗的影響圖3-5描述了CSRR結(jié)構(gòu)參數(shù)內(nèi)環(huán)邊長r和開口寬度d對天線諧振頻點的影響。由圖3-5(A)可知，當參數(shù)r由15.0mm增大到16.5mm時，天線原C波段諧振峰向低頻移動；且當r=16.0mm時，原C波段諧振頻段中心頻率處的回波損耗達到最小值。從圖3-5(B)可以看出，當d由0增大到4.5mm時，天線原C波段諧振峰向高頻移動。當d=0即CSRR變?yōu)殚]環(huán)時，該諧振點基本消失，此時天線僅工作在S波段。為了有效分析CSRR結(jié)構(gòu)與天線輻射貼片的耦合關系，接下來探究其位置參數(shù)對諧振頻率的影響，仿真結(jié)果如圖3-6所示。圖3-6CSRR位置參數(shù)對天線回波損耗的影響圖3-6(A)給出了在僅改變旋轉(zhuǎn)角度θ時的回波損耗曲線。從圖中可以看出，在θ逐漸由0增大到45°的過程中，原C頻段諧振峰向低頻移動，且當θ=30°時，原C頻段諧振峰的回波損耗達到最小值。圖3-6(B)為僅改變到介質(zhì)基板底端的距離h時的回波損耗曲線。據(jù)圖可知，隨著h由24.0mm增加到25.5mm，新增S波段諧振峰向低頻移動，且當h=24.5mm時，新增S波段諧振峰回波損耗達到最小值，此時CSRR的中心與介質(zhì)基板中心重合。綜上，參數(shù)r、d、θ主要對原諧振點產(chǎn)生影響，而新產(chǎn)生的諧振點主要受參數(shù)h的影響。綜合考慮天線設計的各項指標，最終得到優(yōu)化后的天線地板結(jié)構(gòu)如圖3-4(C)所示。CSRR結(jié)構(gòu)和位置參數(shù)取值如表3-2所列。表3-2CSRR結(jié)構(gòu)及位置參數(shù)參數(shù)值參數(shù)值r16.0mmd3.0mmθ30°h24.5mms1.0mm為了更直觀地說明天線地板上加載CSRR結(jié)構(gòu)對天線性能的影響，圖3-7給出了不帶有CSRR結(jié)構(gòu)天線與刻有CSRR結(jié)構(gòu)天線的回波損耗曲線對比。圖3-7原天線與刻有CSRR的優(yōu)化天線的回波損耗曲線對比從圖3-7可以看出，原天線在6.87GHz處產(chǎn)生單一的諧振峰，峰值處的回波損耗為-22.1dB。相比之下，優(yōu)化后帶有CSRR結(jié)構(gòu)的天線在3.54GHz處產(chǎn)生新的諧振峰，其峰值處的回波損耗為-21.4dB，而原諧振頻段的中心頻率由6.87GHz減小到了6.72GHz，回波損耗從-22.1dB減小到了-31.2dB。由此可見，優(yōu)化后的天線不僅實現(xiàn)了S、C雙波段工作，而且原C波段的阻抗匹配得到了改善。天線工作原理分析上文已經(jīng)完成了基于CSRR結(jié)構(gòu)的雙頻段微帶天線的設計，接下來將著重研究超表面天線的工作原理。通過分析天線諧振頻率處的表面電流分布，說明CSRR結(jié)構(gòu)的諧振機制；通過構(gòu)建等效電路，得到天線的工作頻率的計算公式。表面電流分析天線作為收發(fā)電磁波的重要裝置，其表面電流分布對研究輻射機理有重要借鑒意義。為說明CSRR的諧振原理，分別對原天線和刻蝕CSRR的微帶天線在各自的諧振頻點處的表面電流分布進行仿真。圖3-8(A)和3-8(B)分別是原天線在5.00GHz和6.87GHz處的表面電流分布。對比圖3-8(A)與圖3-8(B)發(fā)現(xiàn)，6.87GHz處的表面電流較5.00GHz處更強，天線饋電效果更好，說明天線在6.87GHz處產(chǎn)生諧振，能夠?qū)?.87GHz頻率的信號轉(zhuǎn)換為向自由空間輻射的電磁波。圖3-8原天線的表面電流分布(A)5.00GHz;(B)6.87GHz為了更好的說明本文中雙頻超表面天線的設計思路，接下來討論優(yōu)化后的天線在兩個諧振頻率處的表面電流分布，其仿真結(jié)果如圖3-9所示。圖3-9(A)為優(yōu)化后的天線在3.54GHz處的表面電流分布，從中可以看出電流除了沿矩形貼片和饋線分布外，還集中分布于CSRR縫隙邊緣。說明3.54GHz這一諧振頻點是由輻射貼片和CSRR結(jié)構(gòu)共同耦合所產(chǎn)生的。圖3-9(B)為優(yōu)化后的天線在6.72GHz處的表面電流分布，可以看到矩形貼片和饋線之間的電流分布與圖3-9(A)存在較大差異。這說明天線的工作頻率不同對應的表面電流分布也不同。另外，我們發(fā)現(xiàn)當天線工作在3.54GHz時，大量表面電流分布在CSRR縫隙邊緣，而當工作在6.72GHz時，僅少部分表面電流在CSRR邊緣處聚集。說明CSRR結(jié)構(gòu)在低頻段的諧振響應更強，與理論分析相吻合。圖3-9優(yōu)化后天線的表面電流分布(A)3.54GHz;(B)6.72GHz綜合圖3-8和圖3-9，分析CSRR結(jié)構(gòu)對原天線諧振頻率產(chǎn)生影響的原因。從圖中我們可以看出，輻射貼片上的電流分布在天線地板刻蝕CSRR后發(fā)生改變，導致貼片的基膜受到擾動，從而使得高頻段諧振頻率發(fā)生變化。同時CSRR的刻蝕導致地板的完整性遭到破壞，表面電流在CSRR來回震蕩形成類似LC震蕩電路的效果，與輻射貼片之間相互耦合，對原來的諧振頻點產(chǎn)生影響。但是由于地板和輻射貼片中間隔著一個1.5mm厚的介質(zhì)基板，起到一定的隔離作用，使得這種影響較小。并且通過參數(shù)優(yōu)化，可以改善諧振頻率處的回波損耗。綜上可知，在地板刻蝕CSRR結(jié)構(gòu)，可以增加電流流動路徑，為天線增加新的諧振頻點，是一種不錯的實現(xiàn)天線多頻化工作的手段。當改變CSRR結(jié)構(gòu)的各參數(shù)尺寸時，表面電流分布隨之改變，天線的工作頻率也隨之發(fā)生變化。通過參數(shù)掃描，可完成多頻天線的優(yōu)化設計。等效電路圖結(jié)構(gòu)為了更好的理解天線的工作原理，通過微帶天線設計理論及構(gòu)建等效電路圖的方式來給出各諧振頻點的頻率計算公式。對于3.54GHz這一諧振頻點，有大量表面電流分布在CSRR縫隙邊緣，這表明CSRR結(jié)構(gòu)將有助于形成天線的第一工作頻帶?；诖私⑷鐖D3-10所示的第一個工作頻帶的等效電路。根據(jù)CSRR的諧振頻率計算式，低頻諧振點的諧振頻率可通過如下公式等效計算：

f=其電感和電容可根據(jù)如下表達式進行預測：C其中，L為CSRR結(jié)構(gòu)的等效長度，Cpul為CSRR結(jié)構(gòu)單位長度的等效電容值，Lpul為CSRR結(jié)構(gòu)單位長度的等效電感值。Cpul和Lpul滿足關系式：CpulLpul=ε0μ圖3-10低頻諧振點的等效電路結(jié)構(gòu)對于6.72GHz這一諧振頻點，根據(jù)傳統(tǒng)微帶天線設計理論可知，電流路徑的長度接近對應頻點的半波長。因此，在忽略邊緣縮短效應的前提下，高頻諧振點的諧振頻率可通過如下公式等效計算：

f=其中，L為雙頻天線的等效電長度，εr為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)。對于矩形微帶天線，有效電長度即其貼片長度。通過計算?。篖=14mm，εr至此，我們通過構(gòu)建電路等效模型和依據(jù)經(jīng)驗公式計算的方式，合理的解釋了天線各工作頻段的輻射機理。這對證明本文提出的天線多頻化方法的正確性具有重要意義。仿真與實測結(jié)果分析輻射方向圖天線的輻射方向圖，常用來評估天線的輻射性能。圖3-11給出了所設計的超表面雙頻微帶天線在兩個諧振頻率處的歸一化輻射方向圖。其中，實線表示E面輻射方向；虛線表示H面方向。從中能夠看出，H面的方向無規(guī)則形狀，不具備全向的特性，說明所設計的天線屬于線極化天線。而對于E面的輻射方向圖，在6.72GHz處具有明顯的對稱性，這是由于該諧振峰的產(chǎn)生與矩形貼片有關，因此輻射方向圖繼承了貼片形狀的對稱特性。在3.54GHz處，天線的主輻射方向不再與貼片垂直，這是由于在地板上刻蝕的CSRR相對矩形貼片具有一定的傾斜角度，二者之間交叉耦合破壞了天線整體的對稱性，因此E面的輻射方向圖朝CSRR傾斜角度方向偏移。整體而言，所設計的雙頻天線方向圖較為穩(wěn)定，滿足工程實踐的應用要求。圖3-11優(yōu)化后天線的遠場方向圖(A)3.54GHz;(B)6.72GHz天線實物加工與測試在本節(jié)中為了驗證所設計天線在實際中的應用效果，利用電路板雕刻機加工制備優(yōu)化后的天線樣品，其實物如圖3-12所示。利用矢量網(wǎng)絡分析儀測試實物天線電磁性能，其實測與仿真的回波損耗曲線對比如圖3-13所示。圖3-12優(yōu)化后天線實物從圖中可以看出，測試結(jié)果中兩個諧振峰的中心頻率都產(chǎn)生偏移，且諧振頻率處的回波損耗值都增加了3-4dB