基于阻抗表面加載的小型化全向高增益天線

趙家標，史進科，何翼景

(北京理工大學 集成電路與電子學院 北京市毫米波與太赫茲技術重點實驗室，北京 100081)

0 引言

另一方面，全向天線由于具有 360°全覆蓋的輻射特性而在包括基站、無線局域網及終端等眾多無線通信系統中得到了廣泛的應用。研究表明，相較于垂直極化天線，水平極化可以更加有效地抵抗衍射損耗、多徑散射、回波和雜波等不利因素的影響[9]。目前大部分已發表的有關水平極化全向天線的研究多采用偶極子圓環陣[10]、阿爾福德環[11]和零階諧振環[12]等形式。這類天線在水平方向上常常具有較大的尺寸，而且還需要引入額外的功分饋電網絡。另外，這些天線的增益往往較低，應用場景受限。文獻[13]提出了一種簡單饋電的五單元級聯腔體天線。通過利用工作于5次模的平行帶線將5個開口交錯的腔體級聯，可以激勵起同相輻射的等效磁流陣，從而實現水平極化的全向高增益輻射。需指出，該天線在水平方向截面上仍具有約半介質波長的尺寸。

本文提出了一種基于阻抗表面加載的緊湊型水平極化全向高增益天線。基于文獻[13]，該天線在一個水平極化全向級聯腔體天線的中央，即輻射口徑上加載深度可調的容性阻抗表面。該梳狀阻抗表面是由一排周期性的梳狀金屬線陣列構成，并通過金屬條結構實現整體連接。由文獻[14-17]可知,本文的阻抗表面的表面電容值與金屬線在腔體中的插入深度、周期及厚度有關。仿真結果表明，通過調節該阻抗表面的加載深度，可在較寬頻率范圍(7.66～4.42 GHz)內降低天線的諧振頻率，從而實現天線的小型化，同時保持良好的全向輻射及阻抗匹配特性。

1 天線設計

圖1展示了本文提出的基于阻抗表面加載的小型化全向高增益腔體天線三維結構視圖，其關鍵的結構參數如表1所示。

表1 所提出天線的結構參數

(a) 透視圖

可以看到，該天線由5個開口腔體交錯級聯而成，其兩端通過2個短路片與金屬地面相連，天線通過一個位于中央的同軸探針進行饋電。相鄰2個腔體之間重疊部分為2 mm。該天線可由常用印制電路板(PCB)工藝進行加工實現。所采用的介質材料為單層的F4BM基板,其介電常數εr= 2.55，損耗角正切tanδ= 0.002，厚度h= 2.0 mm。單個腔體是由上層的金屬貼片、底部的金屬貼片與連接上下金屬貼片的金屬側壁構成。在實際的天線加工中，每個腔體的金屬短路側壁可由一排周期性金屬短路通孔來實現，在此，通過一個金屬短路片來替代。相比于文獻[13]中的天線,本文的天線在其中央，即各腔體的輻射口徑上加載了一個容性的阻抗表面，其由一排周期性的梳狀金屬線陣列構成，并通過頂部的金屬結構實現整體連接，從而便于對其整體插入深度進行調控。調整饋電探針在y方向上的位置，可以實現良好的阻抗匹配特性。本文對所提出的天線進行了仿真和優化。

下面，對本文所提出天線的工作原理進行討論和解釋。首先，該天線可看作由一個兩端短路的平行帶線傳輸線與5個開口腔體交錯級聯構成。該平行帶線在z方向上諧振于高階5次模式，一側在加載一個開口腔體之后電場被屏蔽抑制，而另一側的輻射電場被保留。通過對5個開口腔體進行交替級聯，保留了5個同相位的電場，形成了一個沿著z方向分布的五單元同相等效磁流陣，因此可實現水平極化的全向高增益輻射特性[13]。天線可由一個同軸探針饋電進行激勵，無需復雜的饋電網絡。該天線上的電場分布如圖2所示。

圖2 水平全向級聯腔體天線的電場分布

此時天線的橫截面方向仍有約一個介質波長的尺寸。為進一步減小天線的橫截面尺寸，將一個梳狀的阻抗表面加載到上述天線中央。該梳狀阻抗表面由一維周期性亞波長尺度的金屬線陣列構成,可等效為在天線輻射口徑邊緣均勻加載的并聯電容，通過調控阻抗表面在天線中的插入深度，可以在寬帶范圍內降低天線的諧振頻率。

圖3給出了未插入阻抗表面的級聯腔天線與所提出天線在橫截面與縱截面上電場強度的對比。可以看到，對于所提出的天線，阻抗表面與腔體底部之間出現了顯著的電場增強效果。這是由于所加載的阻抗表面可以等效為在天線輻射口徑上的并聯電容，且其值與底部間隙g有關[17]。當g減小時容性阻抗表面的等效電容變大，從而可以降低天線的諧振頻率，實現尺寸的小型化。

(a) 未插入阻抗表面的級聯腔天線在橫截面的電場強度分布

圖4給出了在不同間隙g情況下，天線的反射系數曲線。可以清楚看到，間隙g對級聯腔天線的工作頻率有顯著的影響。間隙g越小，天線的工作頻率越低。當間隙g由2.0 mm(未插入阻抗表面)減小到0.1 mm時，天線的工作頻率降低了3.2 GHz，天線的尺寸縮小了42.3%，從而實現了顯著的小型化。圖4中灰色部分為所提出天線在不同g情況下的工作頻帶，均對應于天線的五階諧振模式。某一間隙g下，其他附近的諧振點處天線工作于一階模或三階模，無法形成有效的全向輻射，因此不能用于擴展帶寬。在間隙g= 2.0 mm時，天線的反射系數在滿足 |S11| ≤ -10 dB 條件下的工作帶寬為400 MHz；在間隙g= 0.1 mm時，天線的阻抗帶寬為50 MHz。天線在5個不同間隙g時中心頻點處的反射系數均小于-15 dB，即在整個頻率調控范圍內具有良好的阻抗匹配特性。同時需要指出，由Chu極限[18]，隨著尺寸的小型化，天線的品質因數即Q值會逐漸增大，而阻抗帶寬則會相應減小。

圖4 反射系數隨間隙g 變化的仿真結果

2 仿真結果與分析

該部分給出了所設計天線的E面(xoy面)和H面(xoz面)的輻射方向圖 、不圓度、天線的增益和天線的效率等仿真結果，并給出分析與討論。圖5展示了所提出的天線在不同間隙g時仿真可實現增益曲線。可以看到，在間隙g= 2.0 mm時，天線可實現增益在中心諧振頻點7.66 GHz處達到最大值8.5 dBi；而當間隙g從2.0 mm逐漸降低到0.1 mm時，天線的工作頻率降低到4.42 GHz，此時最大增益也逐漸降低為6.8 dBi，降低量約為1.7 dB。由天線增益和電尺寸的關系可知[19]，隨著阻抗表面加載深度增大，天線諧振頻率的降低，所提出的天線在縱向(沿z方向)電尺寸減小，因而增益逐漸降低。但從仿真結果可知，天線在不同間隙g時所對應工作帶寬內的增益均大于4.0 dBi，即保持了高增益的輻射特性。

圖5 仿真增益隨間隙g 變化的仿真結果

圖6不失一般性地給出了在間隙g= 0.5 mm情況下，所提出天線在E面(xoy面)和H面(xoz面)歸一化的仿真輻射方向圖。

此時天線的中心諧振頻率為5.96 GHz。由圖6(a)可以看出，天線的E面輻射方向圖具有良好的全向特性，此時天線的不圓度為0.81 dB。E面方向圖交叉極化優于-46.8 dB，在本圖中無法顯示。根據圖6(b)， 天線的H面輻射方向圖呈現“8”字形，其交叉極化低于-22.6 dB。

(a) E面(xoy面)

圖7是5個不同間隙g時天線的不圓度仿真曲線，結果顯示所提出的小型化全向高增益天線的不圓度變化范圍為2.50～ 0.32 dB。

圖7 不圓度隨空隙g 變化的仿真結果

當間隙g逐漸減小，即阻抗表面在天線中的加載深度越來越大時，天線的不圓度變得越來越小。這是因為天線的橫向結構(xoy面)影響著E面方向圖的全向性，當間隙g減小時，天線的工作頻率下降，橫向電尺寸減小，不圓度會逐步降低。由圖6和圖7可以看出，所提出的加載了阻抗表面的小型化全向高增益腔體天線可在寬帶范圍內(7.66～4.42 GHz)保持良好的全向輻射特性(不圓度小于2.5 dB)。

圖8給出了在不同間隙g時所提出天線仿真的總效率。

圖8 仿真總效率隨間隙g 變化的仿真結果

所提出天線的總效率考慮了由于阻抗失配導致的損耗[20]，可以表示為e0=Pr/Pi=er(1-|Γ|2),其中Pr為輻射功率，Pi為總輸入功率,er為輻射效率，Γ為反射系數。從結果可以看到，所提出天線的總效率最大值處于86.1%～98.9%。這是由于加載的阻抗表面處于非諧振狀態，因此所提出的天線能夠在整個頻率范圍內保持良好的輻射效率。

圖9則展示了所提出的小型化全向高增益天線在間隙g= 0.1 mm時仿真的三維輻射方向圖。可以看到，所提出的天線具有良好的全向輻射特性，并且具有低副瓣、高增益的特點。

圖9 g=0.1 mm時，天線3D 仿真輻射方向圖

3 結束語

本文提出了一種可以有效實現全向高增益腔體天線小型化的方法。通過在由5個腔體級聯構成的水平極化全向高增益天線中央加載深度可調的容性阻抗表面，可在較寬頻率范圍內調控天線的諧振頻率，實現天線小型化。仿真結果表明，所提出天線的尺寸相比傳統天線可縮小42.3%，且能夠保持良好的全向輻射性(不圓度小于2.5 dB)。在調控范圍內，所提出的天線最大增益為6.8～8.5 dBi，最大輻射效率為86.1%～98.9%。所提出的小型化天線可應用于體積受限的全向無線通信系統中。