基于高阻抗表面的低剖面天線設(shè)計

劉松林

（成都漢芯國科集成技術(shù)有限公司，成都 610000）

現(xiàn)代通信設(shè)備要求天線向小型化、寬帶和多頻段、智能方向發(fā)展。而無線通信基站的天線一般采用偶極子天線加金屬背板的形式，但根據(jù)鏡像原理，偶極子天線的輻射性能會受到金屬地板強烈的影響，因為理想電導(dǎo)體表面的入射電磁波與反射電磁波有180°的相位差。所以，偶極子天線距離金屬背板的高度不能少于四分之一波長，這樣顯然不能滿足未來無線通信系統(tǒng)對于小體積的苛刻要求，尤其在適合廣覆蓋的低頻段通信難以接受。因此，人們在如何有效降低天線剖面高度方面作出了許多努力。Tran 等[1]中提出了一種利用矩形貼片加載接地板輻射圓極化波的單向偶極子天線。天線高度減小到0.1 λ0，但天線帶寬較窄。1999 年，Sievenpiper 等[2]提出了一種電磁結(jié)構(gòu)，使其在諧振頻率附近具有與理想磁導(dǎo)體（Perfect Magnetic Conductor，PMC）非常接近的特性，即表面的入射電磁波與反射電磁波幾乎沒有相位差，且具有很高的阻抗，因此稱為高阻抗電磁表面（HIS）。人們通過研究無通孔人工磁導(dǎo)體（AMC）的周期性片表面結(jié)構(gòu)[3-4]發(fā)現(xiàn)在一定的頻率范圍內(nèi)，反射波的相位等于入射波的相位，所以這個AMC反射器可以用來降低天線的高度[5]。通常，反射相位小于90°的AMC 表面的帶寬很窄，這限制了天線的帶寬。Agarwal 等[6]中，設(shè)計了一種雙層結(jié)構(gòu)來提高AMC結(jié)構(gòu)的同相帶寬。天線的阻抗帶寬（VSWR＜2）為36.2%，軸比帶寬（AR＜3 dB）為33.2%。然而，雙層結(jié)構(gòu)也變相增加了天線的復(fù)雜度和高度。所以，寬帶低剖面的天線設(shè)計仍是一個巨大的難題。

本文為了降低基站天線整體的剖面高度，使用高阻抗反射表面（HIS）來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的理想導(dǎo)體反射表面，并通過制作天線實物進一步驗證設(shè)計方法的正確性。實測結(jié)果表明，制作的天線在800～960 MHz 頻段內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)。其中，駐波系數(shù)（VSWR）小于1.8，天線增益整個頻帶內(nèi)在7 dB 以上，整體剖面高度小于20 mm。

1 設(shè)計原理及分析

1.1 天線設(shè)計

本文中設(shè)計的天線采用傳統(tǒng)的貼片偶極子天線設(shè)計，天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示，介質(zhì)基板采用Fr-4 板材，厚度為1 mm。天線采用雙面PCB 板設(shè)計，介質(zhì)基板的上表面是1 對偶極子貼片輻射單元，包括1 對正交的花瓣形金屬貼片，實現(xiàn)雙極化電磁波的收發(fā)。其中1 個輻射單元靠中心處開設(shè)1 個通孔，用于同軸內(nèi)芯饋電。同時，介質(zhì)基板的下表面印刷有與上表面偶極子天線相互垂直的寄生貼片，寄生貼片也由1 對正交的花瓣形金屬貼片構(gòu)成，用于增加帶寬。寄生貼片中的2 個花瓣形金屬貼片之間設(shè)有1 個T 形貼片，與同軸饋電線金屬外導(dǎo)體連接，以耦合饋電的方式給介質(zhì)基板上表面的另一個金屬貼片饋電。天線質(zhì)基板的4 個角處分別開設(shè)通孔用于整機的安裝固定。其S11仿真曲線如圖2 所示，從圖中可以看出，設(shè)計的天線在780～1 050 MHz 頻段內(nèi)的S11均在-10 dB 以下，展現(xiàn)出了良好的天線性能。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

圖2 天線的S11 仿真曲線

1.2 高阻抗表面單元設(shè)計

使用高阻抗表面（HIS）反射板作為定向輻射天線反射板時可以有效降低天線整體剖面高度。將天線分別放置在傳統(tǒng)理想導(dǎo)體（PEC）和高阻抗表面（HIS）反射板上方，分別如圖3（a）和圖3（b）所示。波1 為電流元直接輻射的前向波，波2 為電流元輻射的后向波經(jīng)反射板反射后形成的反射波。為了使天線產(chǎn)生有效的定向輻射，必須要讓波1 和波2 在遠場處形成同相位疊加，即波1 和波2 的相位差為0。若天線工作波長為λ；反射板的反射相位為φ1；天線和反射板之間的空間距離為H，則波2 到達天線處的往返傳播路徑為2H；傳播路徑2H形成的空間相位延遲為φ2，要使△φ=0，則應(yīng)有

圖3 天線分別放置在理想導(dǎo)體與高阻抗表面上的對比

可得

當(dāng)用PEC 作為反射板時，φ1=π，此時H=λ/4，而當(dāng)使用HIS 作為反射板時，其同相反射相位使得φ1非常小，因此H＜λ/4。因此，使用HIS 反射板作為定向輻射天線反射板時可以有效降低天線整體剖面高度。

本文中所設(shè)計的高阻抗表面單元如圖4 所示，在介質(zhì)基板上表面是1 正方形金屬貼片作為HIS 的基本單元，貼片中心處有一金屬過孔與介質(zhì)板背面的金屬地相連。其基本特性與mushroom 結(jié)構(gòu)非常相似[7-9]。

圖4 HIS 單元結(jié)構(gòu)圖

所設(shè)計的HIS 單元的高阻抗特性同樣可以在三維電磁仿真軟件中進行建模仿真獲得。圖5（a）和圖5（b）分別是所設(shè)計的HIS 單元的阻抗特性和反射相位特性曲線。從圖5（a）中可以看出，在所需要的頻段范圍內(nèi)（800～960 MHz），HIS 反射單元的表面阻抗都有較大阻值，在諧振頻點885 MHz 處表面阻抗約3 800 Ω。圖5（b）展示的HIS 單元的反射相位特性，在800～960 MHz 頻段范圍內(nèi)，反射相位都在±90°之內(nèi)。

圖5 HIS 單元的阻抗特性與反射相位特性曲線

2 低剖面天線設(shè)計

根據(jù)上述，使用高阻抗反射表面（HIS）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的理想導(dǎo)體反射表面，可以有效降低天線整體的剖面高度。本文通過分別設(shè)計天線和高阻抗反射單元，最后將天線與HIS 陣列組裝在一起，不僅能實現(xiàn)天線在頻段范圍內(nèi)良好的駐波系數(shù)，同時通過引入HIS 單元陣列，有效地降低了天線高度，也增加了天線的增益。

2.1 HIS 陣列設(shè)計

根據(jù)1.2 節(jié)中所設(shè)計的HIS 單元，將其組成5×5 的高阻抗反射陣列，并將其與天線成45°夾角放置，同時為了在不影響天線整體性能的前提下盡量地縮小物理尺寸，高阻抗表面反射板上的4 個倒角均被切除，且高阻抗表面反射板中央不設(shè)HIS 反射單元，便于安裝用于給天線饋電的同軸線纜。天線整體結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 天線整體結(jié)構(gòu)

2.2 天線整體性能實測與驗證

實測天線的駐波曲線如圖7（a）所示，在790～1 060 MHz 頻段中，電壓駐波比（VSWR）都小于1.8，整體保持良好的電性能。天線的輻射方向圖如圖7（b）所示。圖7（b）是中心頻點時的輻射方向圖，輻射增益最大方向為2°，增益最大為7.67 dB，3 dB 波束寬度為66.6°，背向輻射為-14.9 dB；由圖7 可以清楚地看出所設(shè)計的低剖面天線在設(shè)計頻段內(nèi)既保持了良好的回波損耗，同時也保證了良好的單向輻射性能。

圖7 實測天線的駐波曲線與天線的輻射方向圖

3 結(jié)論

使用高阻抗反射陣列代替?zhèn)鹘y(tǒng)的理想導(dǎo)體反射面，突破了天線與反射表面必須距離四分之一波長的限制，有效減小了天線的剖面搞對。本文提出了一種基于高阻抗表面的寬帶低剖面天線，主要工作在800～960 MHz，實際制作實物證明這種設(shè)計具有很好的駐波特性（小于1.8）、良好的增益（大于7 dB）以及極低的剖面高度（小于20 mm）的特點。這種設(shè)計可以應(yīng)用在基站天線設(shè)計，能十分有效地降低天線的剖面高度，以及增加天線增益，改善天線的輻射特性。