渐变微带缝隙天线的仿真设计.doc

渐变微带缝隙天线的仿真设计 张 任 张中雷 韩轶凡 （中船重工 722 研究所 湖北 武汉 430079） 【摘 要】微带天线具有体积小、重量轻、剖面低，能与结构表面共型的特点。 但是普通微带天线频带窄、损耗大。 本文设计了一个工作在 X 波段渐变微带缝隙天线。 通过在缝隙的一端刻蚀的渐变结构对电磁波引向，使天线单元达到一定增益。 这种渐变结构类似于维瓦尔第天线，对 扩展频带有良好的效果。 最后用 CST 仿真验证设计。 【关键词】微带天线；缝隙；宽带；CST 1.渐变微带缝隙天线的结构 图 1 渐变微带缝隙天线的结构示意图 这种天线由三层组成：上层为金属层（构成槽线、微带线的地），中 间为介质基板，下层为金属层来构成微带导带[1][2]。 值得注意的是，微带 要布置在渐变结构外，如图 1（a）透视图所示，否则渐变结构将刻蚀大 片金属，微带线没有“地”。 终端开路的微带线与终端短路的槽线正交， 他们在正交处耦合。 籍此，通过微带线将能量传递给槽线，再由槽线经 过渐变结构将能量辐射向自由空间。 2.微带线和槽线之间的耦合 图 2 为 渐变微带缝隙天线的 顶视图，微带线和槽线之间通过电 场 耦 合[3]， 图中阴影部分为场耦合 强的区域。 为使微带线上的能量很 好地耦合到槽线中，微带线应在阴 影部分上沿短路。 这要求在槽线的 边缘打孔接地，或者我们可以用一 长为 λ筑4 的开路线来“虚拟”短路， 这样 msL＝λms筑4， 其中 λms 为微带 图 3 介电常数 9.6 的介质板上槽线特性阻抗 线中波长。 对 于 短 路 槽 线 ，slL 的 长 度 也 取槽线中波长的 1/4。 由文献 [4] 可 图 2 渐变微带缝隙天线 的顶视图 知 ， 当 开 路 微 带 线 阻 抗 Zm 、 短 路 槽 线 阻 抗 Zs 满 足 以 下 条 件 ： Zs· Zm =2500筑2.618,成熟的商业软件如 Agilent Technologies 的 AppCAD 计算 ； 而对于槽线中传播的非 TEM 波并没有一个统一的特征阻抗定义。 一 般用电压的平方除以两倍功率来表示。 文献[5][6] 中给出了不同介电常 数、不同槽宽、不同介质板厚度中的特性阻抗曲线。 可以用最小平方曲 线拟和数值结果得到特征阻抗的解析表达式，但使用起来仍然繁琐。 图中 λ筑λ 表??槽线中波长与自由空间波长比值 ，w 表示 槽 宽 ，D 表示基板厚度。 在这里用较大介电常数的介质基板为的是将能量集中 在馈线周围很小的范围内，使馈线上的辐射较小，不致影响天线的辐 射。 仿真设计中，选择介电常数为 9.6 的介质基板，厚度 1mm。 微带线 的特性阻抗 50 欧姆，线宽 1mm。 为了兼顾带宽和传输特性[6]，槽线的 特性阻抗取稍大于 50 欧姆的值，这里取 60 欧姆[7][8]。 在图 3 中可知，槽 宽取 0.4mm，槽线中波长与自由空间波长比值为 0.46。用频点 9GHz 计 算，可知如图 2 中所示由 slL＝3.6mm；msL＝3mm 构成耦合线。在 CST 的 MICROWAVE STUDIO 中建模如下图： 图 4 介电常数 11 的介质板上槽线特性阻抗  仿真结果如下： 由图 6 可以看出， 在全频段内端口驻波在 7.2GHz 到 8.7GH 内小 于 －15dB，9.7GHz 到 10.7GHz 小 于 -20GHz，8.7GHz 到 9.7GHz 小 于 - 10dB。 S21 在全频段内大于-0.5dB。 该结果证明了设计的耦合线是可 行的。 3.渐变微带缝隙的设计仿真 图 1 中缝隙切断了微带地板上的传导电流而导致位移电流的产 生。 已经证明当缝中波长大于自由空间波长的 40％时，辐射就开始了[1]。 这里使用如图 1 中所示的渐变缝隙， 渐变缝隙的等效模型如下图所 示： 图 8 CST 中天线的模型 在 7GHz－11GHz 带宽内，仿真结果如下： a.馈线的输入端驻波： 图 5 微带线和槽线的耦合线模型 图 9 输入端口 S11 仿真结果 在 8.5GHz－10.5GHz 的带宽范围内，输入端的 S11 小于-10dB（ 应的 VSWR 为 1.94）。 相对带宽达到 20％。 b.辐射方向图 图 6 微带线和槽线的耦合模型仿真结果 S11 和 S21 图 7 渐变缝隙的等效模型 随着槽宽的渐变，槽线的特性阻也在渐变，槽中波长逐渐变长最 终从开口端以水平极化的方式辐射出去。 一般地，开口端宽度大于自 由空间波长的 60％，锥的长度一般为一个自由空间波长。 天线的尺寸设计如下：介质板介电常数 9.6，厚度 1mm。 对应于图 1 中，渐变线开口端宽度 w＝16mm； 渐变线长度 L＝2