新型高增益水平全向微帶天線

余文靜，陳星

（四川大學電子信息學院，成都 610064）

0 引言

近年來通信系統(tǒng)的功能、容量、通話質(zhì)量以及服務業(yè)務隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展不斷升級，同時對水平全向天線的性能指標的要求也越來越高［1］。在進行網(wǎng)絡建設的過程中，為了充分利用設備資源，通常會將網(wǎng)絡用戶比較分散的偏遠地區(qū)的蜂窩劃分的比較大，所建設的基站數(shù)量也更少、密度更低，而且通常會采用水平面方向圖為全向輻射的天線形式。天線系統(tǒng)在傳播的過程中，電波會因為受到外部因素的影響而衰弱，同時信道也會受到地形、溫度、濕度等環(huán)境因素的影響。而這些外部因素都會導致通信系統(tǒng)的通話質(zhì)量降低，從而導致通信系統(tǒng)的覆蓋范圍發(fā)生變化，有些用戶可能因此得不到良好的服務。如果通過新建基站的方式來保證通話質(zhì)量，這勢必會產(chǎn)生很多的額外投資，因此需要找到一種既能保證通話質(zhì)量又能避免不必要的投資的方法，這就要求天線有相對較高的增益。因此近年來通過開發(fā)高增益水平全向天線來改善通信系統(tǒng)的通話質(zhì)量是一個迫切的研究課題［6］。

如今水平全向天線的結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)越來越多樣化，并且近幾年通信領(lǐng)域也相繼產(chǎn)生了很多高增益水平全向天線，如同軸開槽天線［8］、環(huán)形帶狀微帶貼片天線［10］、并饋式全向天線［11］、漸變縫隙全向天線以及雙面矩形微帶天線［12］等。R.Bancroft等人［2］提出了一種輻射貼片和微帶饋線交替排列在的介質(zhì)基板兩側(cè)的水平全向天線結(jié)構(gòu)，該天線結(jié)構(gòu)很簡單，方便加工。K.George Thomas 等人［3］提出了一種擁有兩層介質(zhì)的全向串聯(lián)饋電微帶貼片天線，該天線的最大增益可以達到7.5 dBi，同時通過電磁耦合饋電方式使該天線具有比一般的直接饋電的串饋貼片天線更寬的相對帶寬。文獻［4］中提出了一種在對稱振子天線的兩臂上分別套上圓柱形金屬管的天線結(jié)構(gòu)。該天線的不圓度僅為0.5 dB，套金屬圓柱管的方法可以在增加天線阻抗帶寬的同時改善水平面方向圖的不圓度。文獻［5］提出了一種結(jié)構(gòu)新穎的全向天線，該天線是一種包括兩個背對背的偶極子和一些能夠增強天線增益的元件。該天線的結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)，而且增益、方向圖、帶寬等天線輻射特性良好。文獻［7］通過開槽實現(xiàn)全向輻射的方式設計了一款水平全向天線，同時采用耦合饋電減小了串聯(lián)饋電結(jié)構(gòu)單元之間的互耦影響，有效地降低了同軸串饋天線的損耗。就全向天線的設計而言，如何在實現(xiàn)全向輻射的同時盡可能增大天線的增益。設計一款高增益全向天線得到了越來越多的關(guān)注，無論是通過對天線的結(jié)構(gòu)進行還是從饋電的角度進行改進都值得我們進行探索。

本文設計了一款全向微帶天線，通過組陣的方式大大提高了天線的增益同時保持了良好的全向性。該天線結(jié)構(gòu)較為簡單，易于加工，具有良好的實用價值。

1 天線結(jié)構(gòu)設計

傳統(tǒng)的偶極子天線通常具有良好的全向性，而且其結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，但是它通常具有較低的天線增益，無法完全滿足無線通信的要求。本文通過組陣技術(shù)和串饋的方式在偶極子天線的基礎上設計了一款高增益水平全向貼片天線。天線陣列的饋電方式通常分為串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電兩種。就結(jié)構(gòu)而言，串聯(lián)饋電的結(jié)構(gòu)更加簡單，比較適合量產(chǎn)，但是這種饋電方式會導致天線的阻抗帶寬較窄，同時當天線單元較多時還會導致天線的最大輻射方向偏離水平方向。而采用并聯(lián)饋電形式的天線結(jié)構(gòu)復雜，但是這種形式的天線設計的自由度更大，能實現(xiàn)寬帶，經(jīng)過綜合考慮本文采用串聯(lián)饋電的方式對天線陣列進行饋電。將偶極子天線的兩臂改為金屬貼片形式，其中一個金屬貼片作為本文所設計的天線的地，另一個金屬貼片作為天線的輻射單元進行組陣，天線的輻射單元由彎折線進行連接，天線的地和輻射單元分別印刷在介質(zhì)板的兩側(cè)，利用同軸線饋電。如圖1 所示是本文所設計的天線的結(jié)構(gòu)圖。該天線的中心頻率為5.8 GHz，天線結(jié)構(gòu)簡單，主要由輻射體、U 型地、饋線和彎折連接線四個部分組成。

圖1 本文所提出的天線結(jié)構(gòu)

電流從天線的端口饋進之后在單元之間傳輸時會有所損耗，后一級天線單元流過的電流強度比前一級要小，因此可以通過調(diào)節(jié)天線單元的長度使天線的各個單元具有相同的輻射效率，同時使用U 型地實現(xiàn)阻抗匹配。為了方便后續(xù)的天線測試，將天線的地與輻射部分放置于介質(zhì)板兩側(cè)，利用同軸線進行饋電，為了使天線的地與天線的輻射單元組成非對稱振子天線實現(xiàn)全向性，所以天線的介質(zhì)板盡可能薄。

2 天線仿真與加工實測

本文在偶極子天線的基礎上設計了一款中心頻率為5.8 GHz 的水平全向高增益貼片天線。該天線的介質(zhì)基板采用介電常數(shù)為2.2 的Rog?ers5880，其厚度h選擇為0.508 mm。在電磁仿真軟件中對天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行建模仿真，圖2 是天線的各部分參數(shù)表示。由微帶線阻抗計算軟件可知，在Rogers5880 介質(zhì)基板上特性阻抗為50 Ω饋線的寬度Wt=1.5 mm，將天線的各部分參數(shù)進行參數(shù)優(yōu)化，得到天線的各部分結(jié)構(gòu)的最佳物理尺寸如表1 所示。并根據(jù)最終優(yōu)化的結(jié)果進行天線實物加工，然后分別用矢量網(wǎng)絡分析儀和暗室對天線的回波損耗和增益進行測試，并與仿真結(jié)果進行比較。

表1 天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 天線各部分的參數(shù)表示

根據(jù)優(yōu)化后得到的天線的最佳物理尺寸加工出來的天線樣機如圖3（a）、（b）所示，將利用矢量網(wǎng)絡分析儀對天線的回波損耗S11 進行測量的結(jié)果與仿真得到的天線的回波損耗進行對比，結(jié)果如圖4所示。

圖3 天線實物圖

圖4 天線仿真與實測S11曲線

從圖中可以看出，測試得到的天線的中心頻點比仿真的結(jié)果偏了約0.05 GHz，同時測試得到的天線工作頻段是5.72～5.95 GHz，與仿真得到的5.71～5.92 GHz 也略有偏差，但是在5.8 GHz處天線仿真和實測結(jié)果都滿足|S11|<-15 dB，所以雖然天線的回波損耗的實測結(jié)果和仿真結(jié)果并沒有完全吻合，但是測試結(jié)果仍滿足設計要求。經(jīng)過分析，出現(xiàn)這種偏差的原因可能是天線的加工誤差和測試環(huán)境。本文的天線的相對帶寬僅為3.9%，屬于窄帶天線，加工誤差和材料參數(shù)誤差對窄帶天線的性能影響有很大影響，所以在仿真時需要把握好材料的參數(shù)來減小此類影響［13］。

同時利用微波暗室對天線的遠場特性進行測試，圖5和圖6分別為天線的E面和H面歸一化方向圖的仿真和實測結(jié)果對比。

圖5 天線H面仿真與實測歸一化方向圖曲線

圖6 天線E面仿真與實測歸一化方向圖曲線

從圖中可以看出，天線的H 面（水平面）的方向圖和E 面方向圖基本吻合，但是H 面的偏差相對較大一點，造成這一結(jié)果的原因可能是： ①在進行天線仿真時所選擇的材料是在理想條件下的導體和介質(zhì)，但是實際加工的材料是存在介質(zhì)損耗的。②介質(zhì)板的相對介電常數(shù)是不均勻的。天線仿真與實測的E 面方向圖的對稱性良好。圖7 給出了工作頻段內(nèi)的天線最大增益仿真與實測對比，從圖中可以看出，天線在中心頻率處最大增益的測試結(jié)果較仿真結(jié)果小0.4 dB。從上述分析中可以看出，該天線仿真結(jié)果和測試結(jié)果都基本吻合，從而驗證了該設計的可靠性。

圖7 天線仿真與實測的增益對比

3 結(jié)語

本文通過對全向天線的研究，利用組陣技術(shù)設計了一款結(jié)構(gòu)新穎的高增益水平全向貼片天線。該天線城墻形狀的輻射單元和U 型地分別印刷在介質(zhì)板兩側(cè)，并利用50 Ω 同軸線直接饋電。利用仿真軟件對上述設計進行仿真優(yōu)化制作了天線實物，并利用矢量網(wǎng)絡分析儀和微波暗室內(nèi)對天線進行了測試。結(jié)果表明，該天線的相對帶寬約為3.9%（5.72～5.95 GHz），天線在中心頻點5.8 GHz 的最大增益達8.9 dBi，水平面方向圖的不圓度僅±0.75 dB。由此可見，本文所述的設計方法具有一定的應用價值，特別是對高增益水平全向貼片天線的設計具有一定的參考價值。