平面可调谐微带天线的设计与仿真

第３３卷第４期２００７年７月

中国测试技术

ＣＨＩＮＡＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．４Ｊｕｌｙ．２００７

平面可调谐微带天线的设计与仿真

曾

摘

翔，童玲

（电子科技大学自动化学院，四川成都６１００５４）

要：将铁电材料特别是锶钡钛酸盐（ＢａｘＳｒ１－ｘＴｉＯ３）这类强非线性介质的压电非线性特性［１］应用到微带贴片天线的介

质基片上，通过改变基片的等效介电系数εｅ来实现微带天线的可调谐工作，对此方法进行了可行性研究，给出了理论验证性质的简单设计和仿真结果。

关键词：微带天线；可调谐；铁电膜；仿真；反射系数中图分类号：ＴＮ８１７

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２－４９８４（２００７）０４－００７４－０３

Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｒｅｓｏｎａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｕｎａｂｌｅｍｉｃｒｏｓｒｉｐａｎｔｅｎｎａ

ＺＨＥＮＧＸｉａｎｇ，ＴＯＮＧＬｉｎ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００５４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｎｅｗｔｙｐｅｔｕｎａｂｌｅａｎｔｅｎｎａｗｈｉｃｈｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｗｉｔｈｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｌｍｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｔｈｅｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｌｍ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｓｃｏｕｌｄｃｈａｎｇｅｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｃｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐａｎｔｅｎｎａｂｙｃｈａｎｇｅｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅ．Ｆｉｎａｌｌｙｇａｖｅｄｅｓｉｇｎｅｘａｍｐｌｅｓａｎｄｕｓｅｄｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｈａｖｅｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｗｏｒｋｓｄｏｎｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐａｎｔｅｎｎａ；Ｔｕｎａｂｌｅ；Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｌｍ；Ｓｉｍｕｌａｔｅ；Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ

将铁电薄膜材料（ＢＳＴ）的压电非线性特性应用到微带天线的设计上，可使新型的可调谐微带天线不仅具有传统微带天线低剖面，重量轻，体积小，结构简单等优点［２］，还具备谐振频率电压可调、可调谐范围宽等诸多优点。能够满足特定条件下的通讯需求，对于航天、军事、卫星通讯等方面的应用有着现实的意义。但是目前国际上对其研究的水平仍然处于可行性验证阶段，面临诸多难题，尚未有实用化产品的报道，从发表论文情况来看也大都是基于计算机仿真实验结果，本文应用基于有限元算法的三维电磁仿真软件ＨＦＳＳ给出了可行性验证仿真结果。

介质基片馈线

矩形金属贴片

辐射边

＝λ／２

Ｗ

Ｖ

Ｗ

＝λ／２

Δｌ＝ｈ

地

（ａ）

非辐射边

（ｂ）

ＢＳＴ

Ｖ

图１矩形贴片微带天线示意图

其中ε（ｒ０）为未加直流偏置电场时材料的相对介电常数实部；ε（ｒＶａｐｐ）为加大小为Ｖａｐｐ的直流偏置电压下材料的相对介电常数实部。

在微带天线介质基片上生长铁电膜的结构可看作是双层介质，等效介电常数可以用下式计算：

（ｈ＋ｈ）εεεｅ＝

１εｒ１２εｒ２

（２）

１铁电材料的压电非线性特性

铁电材料的压电非线性是指材料的极化强度

随外加电场强度呈非线性变化，介电系数εｒ随外加电场强度的增强而非线性减小。非线性的强弱可用介电系数的电场变化率（或称为调谐率）来表征，即用式（１）表示。

（０）－ε（Ｖ）

Δε＝ε×１００％

（ｒ）ε

收稿日期：２００６－０６－０５；收到修改稿日期：２００６－０８－１３作者简介：曾

翔（１９８２－），男，硕士研究生，主要从事天线，

微波多层板间不连续性等研究。

［４］

式中ｈ１、εｒ１是上层介质板的厚度和相对介电常数，也可以ｈ２、εｒ２是下层介质板的厚度和相对介电常数。从计算电磁学方法（这里采用时域有限差分法

（１）

ＦＤＴＤ）分析，则在Ｘ、Ｙ、Ｚ三个方向上把空间划分为

整数单元网格进行计算。在Ｚ方向上，空间步长Δｚ远大于ＢＳＴ薄膜层的厚度，因此在基片顶部单元格的相对介电常数就比较大。其介电常数通过基片和

第３３卷第４期曾

翔等：平面可调谐微带天线的设计与仿真

７５

ＢＳＴ薄膜的介电常数加权平均计算得到，如下式：

（ｆｈ）＋ε（ｓ１－ｈ）εａνｇ＝εΔｚΔｚ

（３）

长Δｌ可分别由：

－１

２

１２ｈεεｒ＋１ｒ－１１＋ε＋ｅ＝Δｌ＝０．４１２（εｅ＋０．３）（Ｗ／ｈ＋０．２６４）

ｅ其中εｆ是ＢＳＴ的相对介电常数，ｈｆ是其厚度，εｓ是基片的相对介电常数，Δｚ为划分网格的空间的步长。因此即使是厚度很小的铁电薄膜层，因其介电常数很大，所以对于整个介质层的相对介电常数的影响不可忽视

［５，６］

! "

（５）（６）

来计算，则单元长度为：

。

Ｌ＝

２矩形微带贴片天线的设计和理论分析

天线分析基础问题是求解天线在周围空间建

ｃ－２Δｌ２ｆｒ#ｅ

（７）

由于单元所固有的窄带宽，所以它的长度是一个临界参数，应当用上式来求线长Ｌ的精确值。这是已知矩形微带贴片天线的工作频率和介质基片厚度ｈ和介电常数εｒ，确定矩形微带贴片长Ｌ和宽Ｗ的过程。

空腔模型方法把天线的基本问题分为两步：第一，求天线上的源分布或包围天线的封闭面上的等效源的分布，这称为天线的内场问题；第二，根据内场问题的解来求解外场，这称为天线的外场问题。当（ｈ・），贴片与接地板间的场可以作以下的假定：λ０（１）电场只有Ｅｚ分量磁场只有Ｈｘ和Ｈｙ分量，这是对Ｚ向的ＴＭ型场；（２）内场不随Ｚ坐标变化；（３）四周边缘的电流无法向分量，即边缘处的切向磁场为零，故空腔的四周壁可以视为磁壁。

立的电磁场，求得电磁场后，进而得出其方向图、增益和输入阻抗特性指标。分析微带天线的基本理论大致可以分三类。最早出现的也是最简单的是传输线模型理论。主要用于矩形贴片。最为严格的计算也是最为复杂的是积分方程法即全波理论。第一种理论把天线的分析简化为一维的传输线问题；第二种理论则发展到基于二维边值问题的求解；第三种理论又进了一步，可计入第三维的变化，不过计算也费时得多。本文基于天线的厚度和精度要求采用的是第二种理论来分析。

空膜模型理论基于薄微带天线（ｈ・）的假设，λ０

而将微带贴片与接地板之间的空间看成是四周为磁壁、上下为电壁的谐振空腔（或确切的说是漏波空腔）天线辐射场由空腔的四周的等效磁流来得出，天线的输入阻抗可根据空腔骨场和溃源边界条件来求得。

矩形贴片与地板相距几分之一波长，谐振腔模型理论中假定电场沿微带结构的宽度和厚度方向没有变化［７］，则辐射器的电场结构如图１所示。

首先选择具有适当厚度和相对介电常数的介质基片，厚度为ｈ相对介电常数为εｒ，天线工作频率为ｆｒ其实用宽度是：

－１

２

εｃｒ＋１（４）Ｗ＝

ｒ

式中ｃ是光速。也可以选择其他宽

ＴＭｍｎ模得谐振频率也就是微带天线的工作频

率为：

ｃ（２＋（２（８）

２#ｒ

将上式中的εｒ用εｅ代替可以得到更接近实测结果

ｆｍｎ＝

#

"

度，但是当小于式中宽度时，辐射效率较低，而大于式中宽度时，辐射效率虽然较高，但将产生高次模，从而引起场的畸变。一旦知道了Ｗ，则等效介电常数εｅ和线伸

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的谐振频率值：

中国测试技术２００７年７月

４结束语

本文从微带贴片天线的谐振腔模型理论分析出

ｆｍｎ＝

ｃ２! ｅ

!

（）２＋（）２

（９）

发，提出将铁电材料特别是锶钡钛酸盐（ＢａｘＳｒ１－ｘＴｉＯ３）这类强非线性介质的压电非线性特性应用到微带贴片天线的介质基片上，以提供连续可调的直流偏压的方式实现介质基片介电系数连续可调，进而实现微带天线谐振频率的连续可调。并以实例仿真结果验证了该方法的可行性。实际应用中在实现工作频率连续可调的同时，如何兼顾其它参数如辐射方向性，增益，带宽，效率等，仍有许多难题需要解决。

参考文献

［１］陆清芳，李德红，何世明，等．ＢＳＴ铁电薄膜压控微波器件

（１２）：．３５－３８．［Ｊ］．电子元件与材料，２００３，２２

矩形微带天线一般都工作在ＴＭ１０（或ＴＭ０１模）从矩形贴片微带天线的工作频率公式可以直观的看出，当贴片的尺寸即Ｗ和Ｌ固定以后，只要εｅ连续可调，那么从理论上就可以实现天线工作频率的连续可调。

３铁电膜矩形微带贴片天线的仿真分析

铁电薄膜（ＢＳＴ）在常温下外加偏置电压控制其

介电常数的变化，进而控制天线的谐振频率点，使之实现频率调谐功能。图２（ａ）给出了可调谐矩形贴片天线系统的示意图。本例中选用的介质基片为（ｔｍ），εＲｏｇｅｒｓＲＴ／ｄｕｒｏｉｄ５８８０ｒ＝２．２，ｈ＝０．３２ｃｍ，谐振频率ｆｒ＝２．３６ＧＨｚ的矩形贴片天线，应用上述的计算公式得，Ｗ＝３ｃｍ，Ｌ＝４ｃｍ。选用铁电膜得厚度为ｈｆ＝

［２］张钧．微带天线理论与工程［Ｍ］．北京：国防工业出版

社，１９８８．

［３］陈宏伟，杨传仁，符春林，等．ＢＳＴ薄膜的膜厚与铁电性能

关系研究［Ｊ］．电子元件与材料，２００５，２４（６）：１５－１７．

０．２５ｍｍ，按照计算得出的矩形贴天线尺寸和参数，在

ＨＦＳＳ环境下仿真得出不加载铁电膜和分别加载介电常数为４２０，５６０，８００的铁电膜时反射系数Ｓ１１比较如图２。

可见，没有加载铁电薄膜时天线谐振频率为

［４］ＨｕＴ，ＪａｎｔｕｎｅｎＨ，ＵｕｓｉｍａｋｉＡ，ｅｔａｌ．Ｂａ０．７Ｓｒ０．３ＴｉＯ３ｐｏｗｄｅｒｓｗｉｔｈＢ２Ｏ３ａｄｄｉｔｉｖｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｔｈｅｓｏｌ－ｇｅｌｍｅｔｈｏｄｆｏｒｕｓｅｄａｓｍｉｃｒｏｗａｖｅｍａｔｅｒｉａｌ［Ｊ］．ＭａｔｅｒＳｃｉ

（３）：２１５－２２１．ＳｅｍｉｃｏｎｄＰｒｏｃｅｓｓ，２００３，５

［５］ＣａｓｔｒｏＡＭ，ＳｏｌｉｓＲＡ．Ｔｕｎａｂｌｅｆｏｌｄｅｄ－ｓｌｏｔａｎｔｅｎｎａｗｉｔｈ

ｔｈｉｎ

ｆｉｌｍｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ

ｍａｔｅｒｉａｌ

ａｎｔｅｎｎａｓ

ａｎｄ

ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｓｏｃｉｅｔｙｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｓｙｍｐｏｓｉｕｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ，

（２２－２７）：５４９－５５２．２００３，２

２．３６ＧＨｚ，加直流偏压使铁电薄膜的介电常数从４２０

到８００连续变化时，天线的谐振频率将不断下降。本例中天线的谐振频率从铁电薄膜介电常数为４２０时的１．６４ＧＨｚ下降到介电常数为８００时的１．０５ＧＨｚ，可调谐范围为５９０ＭＨｚ，而可调谐矩形贴

片天线仍然具有矩形贴片天线的窄带特点，带宽比常规矩形贴片天线更窄。当可调谐天线应用在保密调频通讯时，通常认为是贴片天线的缺点带宽窄正是需要的特性。

［６］ＲｏｄｒｉｇｕｅｚＳ，ＲｏｄｒｉｇｕｅｚＲＡ，ＣｏｌｏｍＪＧ．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆａｔｕｎａｂｌｅａｐｅｒｔｕｒｅｃｏｕｐｌｅｄｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐｐａｔｃｈａｎｔｅｎｎａｗｉｔｈｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｌｍｓａｎｔｅｎｎａｓａｎｄｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｓｏｃｉｅｔｙｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｓｙｍｐｏｓｉｕｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ，

（２２－２７）：５３６－５３９．２００３，４

［７］钟顺时．微带天线理论与应用西安［Ｍ］．西安：西安电子科

技大学出版社，１９９１．