一款超寬帶天線研究*

王一帆，廖 成

0 引 言

隨著通信系統和移動平臺的發展，社會對超寬帶天線的需求不斷增加。但是，如Vivaldi等類型尺寸較大的天線設計受到空間布局要求的嚴格限制，而平臺背面接地板往往是限制如螺旋天線、單級子天線等天線性能的重要因素，導致天線的阻抗帶寬變窄，難以實現超寬帶。

除此以外，傳統超寬帶天線的設計往往難以避免天線間互耦效應帶來的輻射性能惡化。為了解決這個問題，需要設計對應的去耦網絡，而這將使得整個天線陣列的設計復雜、體積較大。

緊耦合天線陣列（Tightly Coupled Array，TCA）的出現很好地克服了傳統超寬帶陣列設計的一些限制[1-2]。TCA可以有效利用陣元間重疊部分的互耦作用，通過抑制天線單元末端表面電流的衰減來展寬天線頻帶，同時有效減小天線陣的整體尺寸，避免復雜去耦網絡的設計。盡管TCA可以實現多倍程的帶寬，但當與接地板的距離為工作波長的一半時會出現短路點，將限制其阻抗帶寬的拓展。結合電阻型頻率選擇表面，可以改善反射地板造成的天線性能惡化，進一步拓展阻抗帶寬。

本文將緊耦合偶極子天線單元與方環形阻性頻率選擇表面相結合，設計了一款多層結構的超寬帶TCA，并分析各參數對天線性能的影響，最終實現超寬帶。該多層結構的TCA具有超寬帶、體積小的特點，對超寬帶陣列的設計有一定的參考價值。

1 TCA設計

1.1 TCA設計原理

TCA是基于Wheeler提出的電流面理論[3]設計的，其結構示意圖及等效電路如圖1所示。天線陣列周期為d，距接地板高度為h，TCA天線單元間產生的耦合電容為C，天線單元的等效電感為L。天線單元的輸入阻抗為：

其中η0=120π Ω為自由空間波阻抗。在低頻段，強耦合電容C可補償接地板產生的感性電抗ZGP，因而可以展寬其阻抗帶寬，最終實現超寬帶和小型化。

圖1 TCA結構及其等效電路

1.2 TCA結構設計

本文以偶極子天線為原型進行設計，在天線背面添加兩個方形的緊耦合結構，如圖2所示。該結構與偶極子天線產生耦合效應，調節結構的寬度可以改變耦合電容的大小。圖3和圖4給出了兩個重要參數對天線阻抗帶寬的影響。從圖3、圖4結果可以看出，當左側緊耦合結構寬度Ld的尺寸增大時，天線的駐波比系數大大增加；當右側緊耦合結構寬度Ld2小于2.5 mm時，隨著尺寸的增大，天線的阻抗帶寬變寬，但當尺寸大于2.5 mm時，阻抗帶寬又進一步惡化。綜上，最后選擇的緊耦合結構寬度為1 mm、2.5 mm。

圖2 TCA天線正面和背面結構

圖3 緊耦合結構Ld對TCA阻抗帶寬影響

圖4 緊耦合結構Ld2對TCA阻抗帶寬影響

2 RFSS設計

2.1 RFSS設計原理

當電磁波正入射時，電場激勵共面垂直的金屬環間隔縫隙感應形成等效電容，磁場激勵共面垂直的金屬線感應形成等效電感，如圖5所示。間隔的金屬環等效為串聯的LC電路，正交的金屬柵格等效為電感。根據傳輸線理理論，可以計算等效電抗與物理尺寸之間的關系[4-5]。它的反射系數Γ可以表示為：

其中Y0是自由空間導納，Yin是吸收器的輸入導納。Yin可以寫為：

其中RLC枝節導納中的虛部和實部為：

式 中Y0i=i =1,2,3,4)，εr1=εr3=2.2，εr2=εr4=1，ω=2πf。

圖5 頻率選擇表面的等效電路

2.2 RFSS結構設計

本文設計的TCA出現短路點，限制了阻抗帶寬的拓展。為了解決這一問題，本文利用方環形電阻型頻率選擇表面有效抑制接地板的影響。利用上述原理建立對應的等效電路，如圖6所示。將介質層與空氣層等效為兩段傳輸線，其中介質層厚度為h1、空氣層厚度為h2（代表RFSS與地板的間距），金屬環結構等效為串聯的LC電路。RFSS的結構如圖7所示，由電阻、介質基片及地板構成。

圖6 方環形RFSS的等效電路

圖7 方環形頻率選擇表面結構

圖8 給出當RFSS離接地板高度發生變化時，天線的S11參數結果。可以得知，隨著高度增加，S11的值變大，阻抗帶寬變寬，曲線相對更平滑；但當高度大于7.5 mm時，對應的阻抗帶寬反而變小。綜合來看，選擇高度為7.5 mm較合適。

圖8 S11參數隨離接地板高度Hg變化結果

圖9 給出了當介質層厚度變化時，天線的S11參數結果。可以發現，介質層越厚，對應的S11參數值越大，阻抗帶寬越寬；但厚度大于2.0時，阻抗帶寬反而變小。綜合來看，選擇介質層厚度為1.8 mm合理。

方環結構的寬度影響LC值的大小，圖10給出了不同寬度對應的天線S11參數。隨著寬度增大，S11變大，阻抗帶寬減小，故選擇寬度為1 mm可以很好地實現RFSS的性能。

圖9 S11參數隨介質厚度變化結果

圖10 S11參數隨方環寬度變化結果

2.3 TCA單元設計與分析

圖11 （a）為加載方環結構RFSS前的天線單元結構圖，圖11（b）為加載后天線單元的結構圖，其由偶極子單元、介質匹配層、方環RFSS和接地板四部分組成。

圖11 天線結構

設置無限周期邊界條件對加載RFSS前后的天線單元進行仿真，得到的仿真結果對比如圖12所示。從圖12可以看出，加載RFSS后，其有效抑制了地板反射，使得4.2～6 GHz頻率范圍內的天線輻射性能極大改善，從而增加了天線的阻抗帶寬。最終，天線單元在駐波比小于2時，工作頻段能夠覆蓋0.8～7.6 GHz。超寬帶緊耦合天線的方向圖如圖13所示。

圖12 加載RFSS前后天線駐波系數對比結果

圖13 天線單元E面和H面方向圖

3 結 語

本文以緊耦合天線基本理論與電阻型頻率選擇表面等效分析方法為基礎，以微帶偶極子天線為輻射單元，設計了一款基于方環形頻率選擇表面緊耦合超寬帶天線，并分析各參數對天線性能的影響以及加載頻率選擇表面前后無限周期陣列的駐波特性。最終，天線單元在駐波比小于2時，工作頻段能夠覆蓋0.8～7.6 GHz。該天線單元不僅具有超寬帶特性，還有結構緊湊、易共形的特點，在超寬帶陣列天線中具有良好的應用前景。

[1] Jonathan P D,Kubilay S,John L V.A Wideband,Wide Scanning Tightly Coupled Dipole Array with Integrated Balun(TCDA-IB)[J].IEEE Trans. Antennas Propag.,2013,61(09):4538-4548.

[2] Steven S,Holland,Daniel H S,et al.A 7-21GHz Dual-polarized Planar Ultra-wideband Modular Antenna(PUMA) Array[J].IEEE Trans. Antennas Propag.,2012,60(10):4589-4600.

[3] Harold A W.Simple Relations Derived from a Phasedarray Antenna Made of an Infinite Current Sheet[J].Antennas and Propagation,1965,13(04):506-514.

[4] Langley R J,Parker E A.Double-square Frequencyselective Surfaces and Their Equivalent Circuit[J].Electronics Letters,1983,19(17):675-677.

[5] Langley R J,Parker E A.Equivalent Circuit Model for Arrays of Square Loops[J].Electronics Letters,2007,18(07):294-296.