1 引言

从微带缝隙天线的概念被提出以来,由于它剖面薄、重量轻、可与载体共形、易与有源器件集成等优点,已被广泛应用于航空、航天器通信、导航等领域。另一方面，随着通讯技术的发展，希望个人通信中的天线具备宽带低轮廓特点，以使天线可以与建筑内的装饰物相结合，实现所谓的“美化天线”的要求，在此方面，低轮廓的缝隙天线也有应用空间。为实现微带缝隙天线的单向辐射，一般需采用半波长高度的背腔来实现。近年来的工作提供了一些有效的降低背腔尺寸的方法，例如采用介质加载或电磁带隙结构。文献则给出一种超低尺寸的背腔结构的微带缝隙天线，其背腔高度仅为约0.025波长。在缝隙天线的宽带化方面，也有许多引人瞩目的工作。

本文在上述工作的基础上，提出了一种新型的天线结构，即在所诉及的超低尺寸背腔缝隙天线上部加入开窗的金属贴片，从而进一步控制天线的带宽、方向图与增益，实现了宽带高增益设计。

2天线结构

天线结构如下图1所示，天线制作在相对介电常数为2.55厚度为1mm的聚四氟乙烯介质基片上。在介质基片一面的金属板上开一缝隙，另一面采用50欧姆微带线馈电，微带线在缝隙处通过过孔与开缝金属板短路。开缝面下方为背腔结构，而在馈电面上部加上一开窗的金属贴片。背腔内、开窗金属片与介质基片之间均无介质填充。

图1天线结构俯视与前视图

设计中，通过调整各参数可以获得需要的方向图特性与阻抗特性。在各个参数中，背腔的长度Ca、开窗贴片的长度a这两个参数对天线特性影响较小，可事先选定。选取准则为Ca约为最低频率对应的波长，而开窗贴片长度a可充分覆盖缝隙即可。

3设计与仿真

使用Ansoft公司的电磁仿真软件HFSS可以对上述结构进行仿真分析与优化设计。在设计中，可首先根据文献与经验确定各参数的初始值。初始值的确定可遵循下述方式：

天线的工作频段为DCS频段，因此设计时中心频率设定为1.8GHz，其对应的自由空间波长为167mm。因此，参照文献的结果，L可选取为中心频率波长，即167mm，W选为5mm，Ca可选为180mm，Cb为100mm，Wa、Wb分别选择100mm与50mm，a、b则分别取为220mm与150mm，H1、H2均选为5mm。

在上述参数的基础上，使用HFSS进行优化设计即可获得较为理想的天线参数。优化过程中可以发现，开窗的大小会对天线的辐射方向性影响较大，开窗过大或过小，天线都不能在Z轴正上方（坐标如图1）获得理想的增益。而缝隙长度L则主要影响天线整个频带内增益的起伏。当其他参数固定，而L在一个波长附近变化时，可以发现L越大，则频率高端增益越好，反之，L越小则低端增益越高。缝隙带度W与开窗宽度Wb、背腔宽度Cb对天线的阻抗特性影响较大。例如，缝隙越宽则天线的阻抗带宽越宽，然而其带内驻波比则相应增大，反之，则阻抗带宽变窄而带内驻波比减小。根据这些规律，可以有目的调整各个参数，最后对开窗贴片的高度H1、背腔高度H2进行微调即可实现理想的方向图与阻抗特性。

4.仿真结果与分析

最后，经过仿真分析，确定的尺寸参数为：

a=220mm,b=180mm,Wa=86mm,Wb=40mm,L=165mm,W=3.8mm,Ca=180mm,Cb=96mm,H1=4.8mm，H2=5mm。

仿真获得的天线阻抗特性如图2所示。此处，我们将HFSS仿真获得的结果与另外一种电磁仿真软件CSTMicrowaveStudio仿真获得的结果进行了对比，发现二者基本一致，证实了仿真结果的可靠性。仿真结果显示，在1.7－2.05GHz频段，天线VSWR2.5，具备较好的宽带特性，可完全覆盖DCS频段。

图2天线驻波比特性

图3给出了天线在各个频率上仿真获得的辐射方向图。结果显示天线在此频段可以获得最高11.2最低8.5dB的增益。