基于Polys try介质基板微带天线的应用研究

张秋葵，易映萍，赵继然，幸 伟

(上海理工大学 机械工程学院，上海200090)

天线是用来接收或发射电磁波的一种装置[1]，既能够用来转换导行波与自由空间波，也可以利用接收到的电磁波进行检测。

随着现在微波技术以及电路集成技术的发展，诞生了微带天线这类新型天线。根据天线辐射单元的形状，可将天线分为4大类：贴片天线、振子天线、行波天线与缝隙天线。微带天线是贴片天线的一种，结构简单且易于实现，当工作在谐振状态时，其辐射效率最高。在微带天线的设计过程中，介质基板的材料种类对设计出的微带天线的性能有着不可忽视的影响。

微带天线材料如文献[2]中所讨论的RT/duroid5870的PTFE(玻璃超细纤维)，介电常数和介质损耗角正切最小，而且耐高温和耐老化性能好，是介质基板常用的材料。但是，介电材料PTFE使用频率通常在2～35 GHz，在低于2 GHz的中心频率的环境下增益不明显，也不便于观察。而对于100 MHz～2 GHz范围的微带天线则可以使用高分子磁性材料。高分子磁性材料不仅有重量轻、尺寸小、频率适用范围宽的优点，且在100 MHz～2 GHz范围内增益要比PTFE高。高分子磁性材料，如高分子磁性材料Polysty以及交联聚苯乙烯，在高频下具有较低的介电常数和介电损耗、高电压绝缘性、高抗辐射能力、高模量和空间稳定性等特点。

本研究选取结构简单、易于实现、成本较低的半波微带辐射贴片和Polysty介质基板构成的侧馈矩形微带天线，并进行了相关应用研究。

1 微带天线模型

微带天线不同于普通的金属拉杆型、金属螺旋型、喇叭型、抛物面型等天线，其是基于腔模理论将两面敷导体薄片一面接地，另一面用印刷电路的方法设计成天线形状，其结构如图1所示。

图中阴影部分为金属导体薄片即金属贴片，又称辐射贴片，两薄片之间为介质基板。铜为常见的用作于制作天线的导体薄片，因此本文选择铜作为金属贴片，介质基板则选择Polysty。

1.1 微带天线的基本参数

用以衡量微带天线的优良与否的指有很多[3-7]，本文的主要指标如下：

(1)S参数[8]。散射参数，是电磁波的反射功率Pback和入射功率Pin的比值，即

(1)

根据天线的特性和有效工作状态，当S<-10 dB时为有效范围，认为此时工作状态和效率是有效的；

(2)中心频率f0。谐振频率f0，在扫描的频率范围内S参数达到最小值为中心频率;

(3)频带宽度[9]BW。指有效工作状态下，S<-10 dB所跨越的扫描频率之差

BW=fmax-fmin

(2)

微带天线的带宽一般在 1%～5%左右，且该参数与体积有关，为保证其工作的可靠性，将带宽限制在约5%;

(4)增益G。在一定的功率输入条件下，实际功率密度与相对应的辐射强度之比;

(5)驻波比SWR[10]。驻波比是用来反映天线与馈线阻抗匹配程度的指标。理想驻波比SWR<1.5。但是考虑实际工作情况，当SWR<3即可认为是有效工作状态。

1.2 微带天线模型的设计

本文采取馈电方式设计一个以Polysty作为介质基板，辐射贴片为0.1 mm铜箔，微带天线的中心工作频率为1 GHz[11-13]。

(1)微带辐射贴片尺寸设计。Polysty基板的介电常数εr=2.6，综合考虑正切角以及中心频率等因素，取基板厚度h=5 mm。辐射贴片宽度W0为

(3)

其中,c=3×108m·s-1，将f0=1 GHz，εr=2.6代入计算式，可得W0=111 mm。

辐射贴片长度L0为

(4)

其中,天线的等效介电常数为εeff

(5)

将εr=2.6，h=5 mm，W0=111 mm带入计算式，得εeff=2.44。

天线的等效缝隙长度ΔL为

(6)

将h=5 mm，εeff=2.44，W0=111 mm带入计算式得到ΔL=2.53 mm。将式(5)～式(6)结果带入式(4)，可得L0=91 mm，即贴片为L0=91 mm，W0=111 mm的矩形贴片。

(2)输入阻抗及馈线尺寸设计。图2为微带天线阻抗匹配原理，其中Zin为微带天线的输入阻抗，Z1为匹配阻抗。

在介电常数处于合理范围值时，谐振时矩形贴片的输入阻抗在100～400 Ω之间。当谐振时输入电抗为0 Ω，考虑到实际应用，为便于天线的使用与测试仪器相匹配，采取1/4波长阻抗匹配法将其阻抗匹配到50 Ω。

边馈输入阻抗Zin为

(7)

将εeff=2.44，W0=111 mm，L0=91 mm带入得Zin=249.9 Ω。

1/4波长阻抗匹配法对边馈输入阻抗匹配进行计算Z1

(8)

式中，Z0=50 Ω，Zin=249.9 Ω，则Z1=111 Ω。

使用ADS软件的微带线计算工具LineCal计算微带馈线尺寸，当阻抗为50 Ω时，微带天线的馈线宽W2=13.42 mm，长L2=50.97 mm。而当阻抗数值为111 Ω时，微带天线的馈线宽W1=2.81 mm，长L1则为53.16 mm。

2 微带天线仿真

由上述计算天线模型参数设置如表1所示。

表1天线模型参数Table 1.Antenna model parameters

基于软件HFSS建立如图3所示的天线基本模型。

表面辐射贴片为铜，为了体现辐射贴片的导体的特性，将其设为理想导体，则辐射贴片边缘为理想导体边缘。天线的辐射边界一般大于或等于距离辐射贴片的1/4波长，因此为天线设计高为75 mm的辐射模型边界，将模型边界类型设为Radition。考虑到天线地面需要接地且敷铜，因此将底面设置成理想导体。微带线宽度大于介质基片厚度，因此将波端口高设为8h，宽度为8W。综上所述，建立如图4所示的模型。

由于设计的微带天线的中心频率为f0=1 GHz，因此对S参数的初次扫描范围设置在0.5～1.5 GH。由仿真结果图5可知，谐振点m1处频率为0.97 GHz，偏离设计的谐振点1 GHz，且带宽较小。构建模型的特征阻抗如图6所示，谐振点m1处阻抗Z=0.106-j0.219与预期设计的50 Ω归一化的结果相差较大。构建模型的三维增益如图7所示，约为7.7 dB。该结果虽较为理想，但其他参数与设计目标不吻合，因此还需要进一步对天线进行优化。

3 微带天线的优化

由图5仿真可知，中心频率f0没有达到1 GHz，因此通过改变辐射贴片的尺寸以优化中心频率[14-17]。辐射贴片越短则谐振频率越高，因此将初始设置的贴片的长度L0为上边界。微带天线贴片长度作为变量，上边界为初始值L0=87 mm，下边界L0=91 mm，步长设为0.5 mm。输入参数扫描范围，仿真运行结果如图8所示。

由图8可知，当L0=87.5 mm时，谐振中心频率恰为1 GHz，如图9所示。

L0=87.5 mm时，中心频率已满足设计要求，由此观察特征阻抗，如图10所示。

微带天线设计目标阻抗为50 Ω，归一化后特征阻抗应为Z=1。由图10可知，Z=0.123-j0.016 6不等于1，因此要对特征阻抗进行优化。

1/4波长阻抗转化器的宽度W1的影响阻抗匹配情况，因此通过改变W1的长度来改善电阻匹配情况。初始值W1=2.81 mm，给它设定恰当的上下范围进行扫描：上限设置为W1=2.9 mm，下限设置为W1=2.8 mm，步长设置为0.1 mm。输入参数，仿真运行结果如图11所示。

相对应的SmithChat如图12所示。

由图12可知，在L0=87.5 mm，W1=2.9 mm,即标记的m1点处，S参数是最小的，相对应的阻抗匹配是最优的。阻抗Z=1.261-j0.077≈1，达到匹配阻抗大小要求，如图13所示，即当L0=87.5 mm，W1=2.9 mm时，中心频率为1 GHz，特征阻抗为50 Ω。

L0=87.5 mm，W1=2.9 mm此时微带天线的S参数图，如图14所示。

在谐振点m1处S=-19.15 dB，S<-10 dB的范围为图中所标点m2、m3，相差约为300 Hz，约占3%。因此微带天线工作在有效状态下，但是频带比较窄。

L0=87.5 mm，W1=2.9 mm时的二维增益和三维增益如图15～图16所示。

二维图如图15，xoz面的二维增益方向图与yoz面的二维增益方向图交于两点，其中角度0°～60°范围内，有近似相同的增益值。三维图中，如图16所示，沿着z轴增益达到7.34 dB二维增益图中，有60°范围增益相同，天线在检测方位上有较宽的应用范围；在三维增益上，在z轴增益达为7.34 dB，这些评估指标大于一般介电材料在1 GHz时的增益情况，因此在用于检测时，更容易检测到变化的磁场在辐射贴片上的电压。

L0=87.5 mm，W1=2.9 mm时的驻波比如图17所示。

由图17中m1点标记的驻波比SWR<3，因此阻抗匹配良好且与设计目标相吻合。

综上所述，在以Polysty作为介质基板，辐射贴片为0.1 mm铜箔，中心工作频率为1 GHz是微带天线。当辐射贴片长度L0=87.5 mm, 1/4波长匹配阻抗宽度W1=2.9 mm时，微带天线S=-19.429 dB，该数值小于10 dB，说明工作在有效范围内。其增益达到7.34 dB且检测范围可以到60°，检测范围宽且增益值高，驻波比也体现了阻抗匹配良好。

4 实验分析

为验证本文设计的基于Polysty作为介质基板的微带天线能够灵敏的检测到电磁波，搭建了相应的实验平台，通过模拟高频局部放电现象，使用Polysty作为介质基板的微带天线检测由局部放电产生的电磁场。

实验平台主要包括示波器，高压电源、放电尖端、Polysty作为介质基板的微带天线以及相关软件。使用高压电源、保护电阻、耦合电容等为高电压实验提供稳定高电压，局部放电部分一旦放电，使用微带天线检测到之后，通过示波器观察到局部放电检测到的局部放电的波形。

当电力设备运行正常，没有漏电现象时，仅能检测到噪声，无放电现象检测到的波形如图18所示。

当电力设备出现高频放电问题时，检测到的波形有明显的凸起，这些凸起便是由检测到的高频放电产生的磁场所引起的，检测到的波形如图19所示。

对比图18与图19可知，以Polysty作介质基板的微带天线在实验现场可以成功检测到局部放电产生的超高频信号。

5 结束语

本文首先结合微带天线的结构性能的特点与天线领域材料应用，提出了基于Polysty作为介质基板的微带天线研究。然后根据经典微带天线理论建立模型，确定Polysty作为介质基板微带天线的各结构初始长度。通过仿真表明，由初始数据建立的模型需要优化。接着，结合微带天线的结构与性质，通过对初始模型的数据进行优化，确定在Polysty作为介质基板，中心频率为1 GHz的最佳尺寸。最后，对确定尺寸的微带天线进行评估，表明工作在有效状态，增益以及阻抗匹配上均表现良好。通过实验证明了本文设计的微带天能够检测到高频局部放电现象，具有一定的实际应用价值。