超寬帶檢測系統中的小尺寸陣列天線設計

摘要：本文介紹了一款小尺寸超寬帶平板天線的設計及其陣列排布。天線采用四分叉形狀發射極子，底部接地板開矩形槽的結構，有效調節天線的輻射方向和帶寬。經仿真測試，天線滿足超寬帶檢測系統中要求的5GHz~7GHz帶寬。并將尺寸縮減到16mm×16 mm，易于陣列集成。

關鍵詞：超寬帶檢測；平板天線；天線陣列；輻射方向

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.8.005

*基金項目：教育部新世紀人才項目（批準號：NCET- 08-0389）

超寬帶無線檢測技術[1]的飛速發展帶來了無損檢測的又一次進步。超寬帶無線數據的傳輸速度更快，數據包含信息量更大，功耗更低，設備成本更低，保密性更強，穿透性更好，這些優點是常規無線檢測技術不具有的。性能良好的超寬帶天線是確保檢測可靠性、高速性以及抗干擾性良好的關鍵，天線的設計成為超寬帶無線檢測技術的重中之重。

為了滿足與射頻電路等高速電路集成的條件，天線的小型化設計成為關鍵，小尺寸微帶單極槽隙天線易于調節阻抗帶寬[2]，它能方便地同高速電路集成，滿足設備高集成度，低功耗的要求。多數檢測系統需要多天線集成為陣列以提高檢測精度和降低檢測次數，天線陣列一次檢測即可獲得多組檢測數據，經微型計算機處理后可快速提交檢測結果，但是天線陣列中各個天線會互相串擾，影響檢測精度。調節單個天線的輻射性，使其輻射方向不互相重疊可大幅降低天線間的串擾。為此必須設計一款超寬帶天線，在滿足帶寬條件的同時提高天線在正向和背向的輻射強度，相應降低天線的側向輻射強度。

天線結構

天線基板的選擇

天線基板材料和厚度的選擇對超寬帶平板天線的帶寬影響較大，天線基板越厚，天線的寬帶性能越好，但是厚度的增加使天線難以集成。本天線選用1mm厚，介電常數為4.4的FR-4材料作為介質基板，該材料造價低，性能穩定，是傳統PCB板的材料。選用PCB板作為天線基板，天線可以直接印制在PCB板上，經過布線后可以方便高速地與芯片互聯，使檢測系統體積有效縮小。基板形狀選擇正方形，方便緊密排列成陣列形式，尺寸為16mm×16mm，詳見圖1的天線側視圖。

天線輻射單元及接地板設計

天線的輻射單元設計主要影響天線的輻射方向和帶寬，本天線使用類似“T”字形極子有效地減弱天線的側向輻射，既降低天線陣列之間的相互串擾，又確保天線在正向和背向增益高，穿透力強。

天線輻射單元結構如圖1所示，采用類似“T”字形極子，極子呈四分叉形與下面的饋線相連，饋線寬2mm，與50Ω同軸電纜阻抗匹配。上面兩個較小的分叉并不十分明顯，分叉的橫向長度用于調整輻射單元至左右兩邊開槽金屬接地板的距離，實現指定的輻射方向性。較短的橫向分叉會提供更寬的帶寬，但會增加天線的側向輻射，綜合考慮并仿真優化后，取橫向分叉的長度為6.6mm時滿足側向增益低、抗干擾好的性能要求；“T”字形極子下面的兩個縱向分叉用于調整輻射單元至下邊開槽金屬接地板的距離，補償由橫向分叉導致的天線帶寬縮小，使天線帶寬達到指定的5GHz~7GHz。

平板單極天線添加開槽結構有利于天線小型化[3]，開槽的形狀及寬和高依天線的不同特性要求而不同[4]。一般選擇矩形槽，開槽的縱向高度低于天線輻射單元高度時，天線一般具有較寬的帶寬；開槽的縱向高度高于天線輻射單元高度時，天線一般具有較低的側向增益。

文中設計的天線選用后一種開槽方式，通過仿真優化最終確定開槽的高度和寬度分別為13 mm×14 mm，天線的接地板開槽形狀如圖1所示，開槽上下兩端距基板邊緣分別為1mm和2mm，左右兩端距基板邊緣各為1mm。開槽后環形饋電地板改變了電流走向，電流沿地板底部中心饋入，經由開槽地板的兩側，最后形成環形饋電網絡，相比于不開槽接地板，環形饋電網絡增加了接地板電流路徑長度，有利于減小微帶天線的尺寸。

天線帶寬及方向圖

天線靠近饋線的兩個斜三角結構可輔助調節阻抗帶寬，無三角結構的天線示意圖如圖2所示。回波損耗曲線S11曲線如圖3所示，在橫軸坐標5GHz附近S11曲線過于靠近-10dB限度，天線實物測試在5GHz處可能帶寬不達標，添加兩個三角的漸變結構，輻射單元的“T”字形橫向分叉距離接地板開槽邊緣有個漸變的過程，增加了輻射單元在不同頻率上的諧振點，輔助調節了天線帶寬，使天線-10dB回波損耗曲線向左移動，避免天線實物測試時可能出現的帶寬不達標。添加兩個三角結構后天線的S11曲線優化為圖3所示。

天線在5GHz~7GHz帶寬內具有較高的正向和背向輻射，側向輻射較小。輻射方向圖如圖4所示，正向輻射增益強度達3.5dB，而側向60度處輻射增益小于-4dB，有效降低天線陣列間不同天線的相互干擾，增強天線穿透能力，使檢測結果精確可靠。

檢測系統天線陣列設計

超寬帶檢測系統類似雷達系統[5]，需要發射天線和接收天線同時工作，發射天線發射超寬帶信號，遭遇檢測物體后發生反射，由接收天線接收。把發射和接收天線集成為陣列既要求天線之間間距適當，不互相干擾，又要求天線數目足夠以獲得多組檢測信號，檢測信號組數越多，結果越準確。例如，使用共焦成像技術[6]時，疊加多組檢測信號各自成的圖像，才能有效加強目標圖像，同時減弱非目標的干擾圖像。本文設計了兩種工作模式的天線陣列，一種為循環工作模式的天線陣列，另一種為復用工作模式的天線陣列。

循環工作模式天線陣列

天線陣列設置如圖5(a)所示，12個平板天線，呈4行3列排布。編號1、2、3、4、5、6的為發射天線，編號A、B、C、D、E、F的為接收天線。1號天線發射A天線接收，依此類推、共六組天線對（1-A）、（2-B）、（3-C）、（4-D）、（5-E）、（6-F）。每個發射天線依次發射信號，對應的接收天線接收信號，完成一次循環。陣列結構的突出優點是密集程度高，12個方形天線以很小的間距排成矩形陣列。較大限度地縮減了天線占用空間，12個天線集成在PCB板上尺寸僅約為50mm×70mm，可以制成便攜式手持設備供檢測人員隨身攜帶。另一方面，循環工作使每兩對天線工作間距達16mm以上，不會因距離過近而相互干擾，該天線陣列適合安裝在體積小、便攜的儀器設備中。

復用工作模式天線陣列

天線陣列設置如圖5(b)所示，7個平板天線，排列在圓盤的中心和邊界，編號依次為1-7。采用復用模式時，6個天線既可作為發射天線，又可作為接收天線。當1號天線發射時，2-7號天線作為接收天線使用；當2號天線發射時，除2號以外的天線作為接收天線使用。依此類推。天線復用技術可以極大地減少天線個數，同時獲得數量較多的信號組數，上面結構的天線陣列完成一次檢測共獲得7×6=42組信號。復用模式的缺點在于天線總數較少時無法緊密集成，天線間都需保持一定的間距來確保工作時不互相干擾。

結語

本文設計了一款基于超寬帶檢測系統的小尺寸平板天線，經過仿真優化，天線在5GHz~7GHz頻帶正向輻射達3.5dB，側向輻射較低。使用此天線組成天線陣列，合理安排天線間距，可以避免天線工作時相互干擾。天線陣列集成度高，對開發體積小、便攜的檢測儀器設備具有重要應用價值。

參考文獻：

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[4]Gibbins D， Klemm M， Craddock I J. A Comparison of a Wide-Slot and a Stacked Patch Antenna for the Purpose of Breast Cancer Detection[J].IEEE trans. Antennas and Propagation，2010，58(3):665-672

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