張秋葵，易映萍，趙繼然，幸 偉

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海200090)

天線是用來接收或發(fā)射電磁波的一種裝置[1]，既能夠用來轉(zhuǎn)換導(dǎo)行波與自由空間波，也可以利用接收到的電磁波進(jìn)行檢測(cè)。

隨著現(xiàn)在微波技術(shù)以及電路集成技術(shù)的發(fā)展，誕生了微帶天線這類新型天線。根據(jù)天線輻射單元的形狀，可將天線分為4大類：貼片天線、振子天線、行波天線與縫隙天線。微帶天線是貼片天線的一種，結(jié)構(gòu)簡單且易于實(shí)現(xiàn)，當(dāng)工作在諧振狀態(tài)時(shí)，其輻射效率最高。在微帶天線的設(shè)計(jì)過程中，介質(zhì)基板的材料種類對(duì)設(shè)計(jì)出的微帶天線的性能有著不可忽視的影響。

微帶天線材料如文獻(xiàn)[2]中所討論的RT/duroid5870的PTFE(玻璃超細(xì)纖維)，介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切最小，而且耐高溫和耐老化性能好，是介質(zhì)基板常用的材料。但是，介電材料PTFE使用頻率通常在2～35 GHz，在低于2 GHz的中心頻率的環(huán)境下增益不明顯，也不便于觀察。而對(duì)于100 MHz～2 GHz范圍的微帶天線則可以使用高分子磁性材料。高分子磁性材料不僅有重量輕、尺寸小、頻率適用范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，且在100 MHz～2 GHz范圍內(nèi)增益要比PTFE高。高分子磁性材料，如高分子磁性材料Polysty以及交聯(lián)聚苯乙烯，在高頻下具有較低的介電常數(shù)和介電損耗、高電壓絕緣性、高抗輻射能力、高模量和空間穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

本研究選取結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、成本較低的半波微帶輻射貼片和Polysty介質(zhì)基板構(gòu)成的側(cè)饋矩形微帶天線，并進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)用研究。

1 微帶天線模型

微帶天線不同于普通的金屬拉桿型、金屬螺旋型、喇叭型、拋物面型等天線，其是基于腔模理論將兩面敷導(dǎo)體薄片一面接地，另一面用印刷電路的方法設(shè)計(jì)成天線形狀，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖中陰影部分為金屬導(dǎo)體薄片即金屬貼片，又稱輻射貼片，兩薄片之間為介質(zhì)基板。銅為常見的用作于制作天線的導(dǎo)體薄片，因此本文選擇銅作為金屬貼片，介質(zhì)基板則選擇Polysty。

1.1 微帶天線的基本參數(shù)

用以衡量微帶天線的優(yōu)良與否的指有很多[3-7]，本文的主要指標(biāo)如下：

(1)S參數(shù)[8]。散射參數(shù)，是電磁波的反射功率Pback和入射功率Pin的比值，即

(1)

根據(jù)天線的特性和有效工作狀態(tài)，當(dāng)S<-10 dB時(shí)為有效范圍，認(rèn)為此時(shí)工作狀態(tài)和效率是有效的；

(2)中心頻率f0。諧振頻率f0，在掃描的頻率范圍內(nèi)S參數(shù)達(dá)到最小值為中心頻率;

(3)頻帶寬度[9]BW。指有效工作狀態(tài)下，S<-10 dB所跨越的掃描頻率之差

BW=fmax-fmin

(2)

微帶天線的帶寬一般在 1%～5%左右，且該參數(shù)與體積有關(guān)，為保證其工作的可靠性，將帶寬限制在約5%;

(4)增益G。在一定的功率輸入條件下，實(shí)際功率密度與相對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度之比;

(5)駐波比SWR[10]。駐波比是用來反映天線與饋線阻抗匹配程度的指標(biāo)。理想駐波比SWR<1.5。但是考慮實(shí)際工作情況，當(dāng)SWR<3即可認(rèn)為是有效工作狀態(tài)。

1.2 微帶天線模型的設(shè)計(jì)

本文采取饋電方式設(shè)計(jì)一個(gè)以Polysty作為介質(zhì)基板，輻射貼片為0.1 mm銅箔，微帶天線的中心工作頻率為1 GHz[11-13]。

(1)微帶輻射貼片尺寸設(shè)計(jì)。Polysty基板的介電常數(shù)εr=2.6，綜合考慮正切角以及中心頻率等因素，取基板厚度h=5 mm。輻射貼片寬度W0為

(3)

其中,c=3×108m·s-1，將f0=1 GHz，εr=2.6代入計(jì)算式，可得W0=111 mm。

輻射貼片長度L0為

(4)

其中,天線的等效介電常數(shù)為εeff

(5)

將εr=2.6，h=5 mm，W0=111 mm帶入計(jì)算式，得εeff=2.44。

天線的等效縫隙長度ΔL為

(6)

將h=5 mm，εeff=2.44，W0=111 mm帶入計(jì)算式得到ΔL=2.53 mm。將式(5)～式(6)結(jié)果帶入式(4)，可得L0=91 mm，即貼片為L0=91 mm，W0=111 mm的矩形貼片。

(2)輸入阻抗及饋線尺寸設(shè)計(jì)。圖2為微帶天線阻抗匹配原理，其中Zin為微帶天線的輸入阻抗，Z1為匹配阻抗。

在介電常數(shù)處于合理范圍值時(shí)，諧振時(shí)矩形貼片的輸入阻抗在100～400 Ω之間。當(dāng)諧振時(shí)輸入電抗為0 Ω，考慮到實(shí)際應(yīng)用，為便于天線的使用與測(cè)試儀器相匹配，采取1/4波長阻抗匹配法將其阻抗匹配到50 Ω。

邊饋輸入阻抗Zin為

(7)

將εeff=2.44，W0=111 mm，L0=91 mm帶入得Zin=249.9 Ω。

1/4波長阻抗匹配法對(duì)邊饋輸入阻抗匹配進(jìn)行計(jì)算Z1

(8)

式中，Z0=50 Ω，Zin=249.9 Ω，則Z1=111 Ω。

使用ADS軟件的微帶線計(jì)算工具LineCal計(jì)算微帶饋線尺寸，當(dāng)阻抗為50 Ω時(shí)，微帶天線的饋線寬W2=13.42 mm，長L2=50.97 mm。而當(dāng)阻抗數(shù)值為111 Ω時(shí)，微帶天線的饋線寬W1=2.81 mm，長L1則為53.16 mm。

2 微帶天線仿真

由上述計(jì)算天線模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1天線模型參數(shù)Table 1.Antenna model parameters

基于軟件HFSS建立如圖3所示的天線基本模型。

表面輻射貼片為銅，為了體現(xiàn)輻射貼片的導(dǎo)體的特性，將其設(shè)為理想導(dǎo)體，則輻射貼片邊緣為理想導(dǎo)體邊緣。天線的輻射邊界一般大于或等于距離輻射貼片的1/4波長，因此為天線設(shè)計(jì)高為75 mm的輻射模型邊界，將模型邊界類型設(shè)為Radition?？紤]到天線地面需要接地且敷銅，因此將底面設(shè)置成理想導(dǎo)體。微帶線寬度大于介質(zhì)基片厚度，因此將波端口高設(shè)為8h，寬度為8W。綜上所述，建立如圖4所示的模型。

由于設(shè)計(jì)的微帶天線的中心頻率為f0=1 GHz，因此對(duì)S參數(shù)的初次掃描范圍設(shè)置在0.5～1.5 GH。由仿真結(jié)果圖5可知，諧振點(diǎn)m1處頻率為0.97 GHz，偏離設(shè)計(jì)的諧振點(diǎn)1 GHz，且?guī)捿^小。構(gòu)建模型的特征阻抗如圖6所示，諧振點(diǎn)m1處阻抗Z=0.106-j0.219與預(yù)期設(shè)計(jì)的50 Ω歸一化的結(jié)果相差較大。構(gòu)建模型的三維增益如圖7所示，約為7.7 dB。該結(jié)果雖較為理想，但其他參數(shù)與設(shè)計(jì)目標(biāo)不吻合，因此還需要進(jìn)一步對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)化。

3 微帶天線的優(yōu)化

由圖5仿真可知，中心頻率f0沒有達(dá)到1 GHz，因此通過改變輻射貼片的尺寸以優(yōu)化中心頻率[14-17]。輻射貼片越短則諧振頻率越高，因此將初始設(shè)置的貼片的長度L0為上邊界。微帶天線貼片長度作為變量，上邊界為初始值L0=87 mm，下邊界L0=91 mm，步長設(shè)為0.5 mm。輸入?yún)?shù)掃描范圍，仿真運(yùn)行結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)L0=87.5 mm時(shí)，諧振中心頻率恰為1 GHz，如圖9所示。

L0=87.5 mm時(shí)，中心頻率已滿足設(shè)計(jì)要求，由此觀察特征阻抗，如圖10所示。

微帶天線設(shè)計(jì)目標(biāo)阻抗為50 Ω，歸一化后特征阻抗應(yīng)為Z=1。由圖10可知，Z=0.123-j0.016 6不等于1，因此要對(duì)特征阻抗進(jìn)行優(yōu)化。

1/4波長阻抗轉(zhuǎn)化器的寬度W1的影響阻抗匹配情況，因此通過改變W1的長度來改善電阻匹配情況。初始值W1=2.81 mm，給它設(shè)定恰當(dāng)?shù)纳舷路秶M(jìn)行掃描：上限設(shè)置為W1=2.9 mm，下限設(shè)置為W1=2.8 mm，步長設(shè)置為0.1 mm。輸入?yún)?shù)，仿真運(yùn)行結(jié)果如圖11所示。

相對(duì)應(yīng)的SmithChat如圖12所示。

由圖12可知，在L0=87.5 mm，W1=2.9 mm,即標(biāo)記的m1點(diǎn)處，S參數(shù)是最小的，相對(duì)應(yīng)的阻抗匹配是最優(yōu)的。阻抗Z=1.261-j0.077≈1，達(dá)到匹配阻抗大小要求，如圖13所示，即當(dāng)L0=87.5 mm，W1=2.9 mm時(shí)，中心頻率為1 GHz，特征阻抗為50 Ω。

L0=87.5 mm，W1=2.9 mm此時(shí)微帶天線的S參數(shù)圖，如圖14所示。

在諧振點(diǎn)m1處S=-19.15 dB，S<-10 dB的范圍為圖中所標(biāo)點(diǎn)m2、m3，相差約為300 Hz，約占3%。因此微帶天線工作在有效狀態(tài)下，但是頻帶比較窄。

L0=87.5 mm，W1=2.9 mm時(shí)的二維增益和三維增益如圖15～圖16所示。

二維圖如圖15，xoz面的二維增益方向圖與yoz面的二維增益方向圖交于兩點(diǎn)，其中角度0°～60°范圍內(nèi)，有近似相同的增益值。三維圖中，如圖16所示，沿著z軸增益達(dá)到7.34 dB二維增益圖中，有60°范圍增益相同，天線在檢測(cè)方位上有較寬的應(yīng)用范圍；在三維增益上，在z軸增益達(dá)為7.34 dB，這些評(píng)估指標(biāo)大于一般介電材料在1 GHz時(shí)的增益情況，因此在用于檢測(cè)時(shí)，更容易檢測(cè)到變化的磁場在輻射貼片上的電壓。

L0=87.5 mm，W1=2.9 mm時(shí)的駐波比如圖17所示。

由圖17中m1點(diǎn)標(biāo)記的駐波比SWR<3，因此阻抗匹配良好且與設(shè)計(jì)目標(biāo)相吻合。

綜上所述，在以Polysty作為介質(zhì)基板，輻射貼片為0.1 mm銅箔，中心工作頻率為1 GHz是微帶天線。當(dāng)輻射貼片長度L0=87.5 mm, 1/4波長匹配阻抗寬度W1=2.9 mm時(shí)，微帶天線S=-19.429 dB，該數(shù)值小于10 dB，說明工作在有效范圍內(nèi)。其增益達(dá)到7.34 dB且檢測(cè)范圍可以到60°，檢測(cè)范圍寬且增益值高，駐波比也體現(xiàn)了阻抗匹配良好。

4 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于Polysty作為介質(zhì)基板的微帶天線能夠靈敏的檢測(cè)到電磁波，搭建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過模擬高頻局部放電現(xiàn)象，使用Polysty作為介質(zhì)基板的微帶天線檢測(cè)由局部放電產(chǎn)生的電磁場。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括示波器，高壓電源、放電尖端、Polysty作為介質(zhì)基板的微帶天線以及相關(guān)軟件。使用高壓電源、保護(hù)電阻、耦合電容等為高電壓實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定高電壓，局部放電部分一旦放電，使用微帶天線檢測(cè)到之后，通過示波器觀察到局部放電檢測(cè)到的局部放電的波形。

當(dāng)電力設(shè)備運(yùn)行正常，沒有漏電現(xiàn)象時(shí)，僅能檢測(cè)到噪聲，無放電現(xiàn)象檢測(cè)到的波形如圖18所示。

當(dāng)電力設(shè)備出現(xiàn)高頻放電問題時(shí)，檢測(cè)到的波形有明顯的凸起，這些凸起便是由檢測(cè)到的高頻放電產(chǎn)生的磁場所引起的，檢測(cè)到的波形如圖19所示。

對(duì)比圖18與圖19可知，以Polysty作介質(zhì)基板的微帶天線在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場可以成功檢測(cè)到局部放電產(chǎn)生的超高頻信號(hào)。

5 結(jié)束語

本文首先結(jié)合微帶天線的結(jié)構(gòu)性能的特點(diǎn)與天線領(lǐng)域材料應(yīng)用，提出了基于Polysty作為介質(zhì)基板的微帶天線研究。然后根據(jù)經(jīng)典微帶天線理論建立模型，確定Polysty作為介質(zhì)基板微帶天線的各結(jié)構(gòu)初始長度。通過仿真表明，由初始數(shù)據(jù)建立的模型需要優(yōu)化。接著，結(jié)合微帶天線的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，通過對(duì)初始模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，確定在Polysty作為介質(zhì)基板，中心頻率為1 GHz的最佳尺寸。最后，對(duì)確定尺寸的微帶天線進(jìn)行評(píng)估，表明工作在有效狀態(tài)，增益以及阻抗匹配上均表現(xiàn)良好。通過實(shí)驗(yàn)證明了本文設(shè)計(jì)的微帶天能夠檢測(cè)到高頻局部放電現(xiàn)象，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。