加载金属背板对用于探地雷达的贴片天线的性能影响研究

【摘 要】本文通过对传统贴片天线和背面加载了传统金属板的贴片天线性能的分析，提出了一种加载特殊金属背板的新贴片天线，使其带宽得到了明显的改善。

【关键词】贴片天线 金属背板

新世纪以来，印制电路天线技术，特别是微带贴片天线技术已经成为整个天线领域中一个不可取缔的专门的天线技术分支，微带贴片天线[1]是在带有导体接地板的介质基板上印刻导体贴片构成的，贴片一般是矩形、圆形、蝶形等。相比于普通天线，微带贴片天线主要有以下优点：重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线；制作成本低，可以应用PCB板技术大量生产制作；无需大的变动，天线就能容易的装载在各种设备上天线的散射截面小；稍微改变馈电位置就能获得圆极化或者线极化；通常可以双频率工作；适合组合式设计比如在天线基板上直接额添加放大器、调谐器和开关等固体器件；天线的馈线和匹配网格能与天线一同制作；对于制作成智能天线和有源天线有巨大潜力。但是与传统天线相比的同时微带贴片天线也有其缺点：频带窄、损耗大、从而增益偏低、大多数的微带贴片天线只向半空间辐射、馈线和辐射源之间的隔离差、端射性能差、可能存在表面波等等一些问题。

一、加载传统金属背板的贴片天线性能

传统用于加载在贴片天线背部的是一整块金属板，其主要目的是为了抑制背向辐射，因为电磁波不能透过金属背板，所以当电磁波传播到金属背板时将会被完全反射回去，这样使得电磁波只能够从天线正面辐射出去，因此直接的增加天线的正面辐射，从而使得天线的增益得到提高。我们基于电磁仿真软件CST（CST Design Environment（CST）是一套功能全面、计算结果准确的专业电磁仿真软件，它的仿真结果与相对应的真实事物的检测结果的一致性也已由大量实验验证）在设计之初，我们在已有的蝶形天线的基础上采用离散端口馈电，对其背部加载金属板，蝶形天线辐射板及金属板采用铜材料，天线基本采用FR-4有耗介质板。这时通过图一我们可见，由于贴片天线是谐振型天线，整个天线在0GHZ-3GHZ频段内的谐振点被完全压制，几乎没有任何通带。通过对天线的辐射原理分析，我们发现加载整块金属背板大大的增加了贴片天线其等效电容，从而使得天线的谐振频率也相应的提高。

二、加载特殊金属背板的贴片天线性能

在上面对贴片天线背部加载整块金属板的性能分析基础上，我们通过对金属板的外形进行改进以达到降低天线的输入阻抗为目的，将其重新加载在贴片天线背部。

结构中参数A和L为介质基板正面贴片天线的尺寸模型，加载在贴片背面的特殊金属板是由长为W间距为G的正方形金属格组成，通过对改进后的贴片天线进行仿真我们得到天线的S11参数曲线与不加特殊金属板的同样贴片天线的S11参数对比如下：

图中红色为背面加载了特殊金属板的贴片天线S11参数曲线，绿色为不加任何材料的同样贴片天线的S11参数曲线。可以看到在我们探地雷达需要的工作频域内，加载了特殊金属板的贴片天线其-10DB以下通带在0.4GHZ-1.2GHZ频段，而不加材料的贴片天线其-10DB以下通带只是0.4GHZ-0.55GHZ频段。加载了特殊金属板贴片天线其相对带宽达到了90%，是后者的4倍以上，真实的反应了特殊金属背板对贴片天线带宽的改善。

三、分析与总结

传统的贴片天线之所以频带窄是因为其输入阻抗随频率变化而不断变化的原因，单一的加载完整的金属背板并不能对贴片天线的输入阻抗随频率的变化起到好的改善作用，然而通过在贴片天线背面加载特殊金属板，由于金属小方块之间空隙的存在，金属小方块之间会有一个相互耦合作用，这个耦合作用使得天线的输入阻抗在0.5GHZ-1GHZ频段内变化时得到了补偿，从而使得这时的贴片天线输入阻抗近似为恒定值，因此才会产生如此宽的通带。最后通过对以上三种仿真结果的分析，我们发现特殊金属板确实对能用于探地雷达频率段的贴片天线的宽带起到了巨大的改善作用，这说明了其在贴片天线设计中的潜在价值，为未来贴片天线的发展提供了一个好的参考，以上结果我们只是通过人工粗糙的优化得到，如果在MATLAB平台上对加载特殊金属板的贴片天线的结构参数进行遗传算法，进化算法等优化处理后，相信结果会更令人满意。

参考文献：

[1]《介质埋藏微带天线》，倪国旗主编，国防工业出版社，2012年

作者简介：

郭明（1990-），男，湖北潜江人，在读硕士，2011年毕业与长江大学地球物理与石油资源学院，长江大学2011届地球探测与信息技术专业研究生，研究方法：地质工程。