基于鐵氧體的寬帶高增益微帶天線設計

陳攀，李高升

湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082

0 引 言

隨著通信技術的快速發展，設備對參數可調控、性能可變更的天線要求日益嚴苛，例如天線頻率的調控[1-2]、天線極化的調控[3]。目前，天線的可調控與可重構是主流設計方向，大部分電可調控天線均通過添加偏置電流予以實現，除了對天線主體進行設計之外，還需考慮交直流電路耦合并采用對天線性能影響較小的直流偏置電路，這也是可重構天線的設計難點。磁控天線取消了對天線性能影響較大的直流偏置電路，轉而采用對傳統天線無影響的外磁場進行鐵氧體鐵磁參數調控，從而成功解決了天線可重構的難題，其中微帶天線因體積小、重量輕、成本低等優點而備受青睞[4]，但其也存在帶寬窄、增益低、效率低等缺點。為此，學界采用了多種天線設計技術來增加微帶天線的帶寬，例如切U 槽[5-6]、割縫隙[7]、使用磁電復合基板[8]、加載寄生貼片[9]、組陣[10]、利用耦合實現天線的多模[11-12]等。對于雙層微帶天線而言，對天線性能影響最大的是頂層介質基板，而底層介質基板參數變化的影響則相對較小；同時，當采用各向同性材料時，微帶天線的波束寬度與增益成反比，即不能同時滿足高增益和寬波束的要求，所以本文將使用各向異性材料鐵氧體作為天線的頂層介質基板，并利用鐵氧體材料在外加磁場環境下呈各向異性的特點[13-14]，對鐵氧體磁導率進行調控以優化天線性能并縮小天線尺寸。

因此，本文擬設計一種加載鐵氧體材料的可調控寬帶微帶天線，使用層疊式微帶天線來提高增益和效率[15-16]，并采用添加寄生貼片的方法來拓展帶寬。為了應對加工制作與外磁場添加限制等問題，該層疊式天線的底層介質基板將使用RT/D 5880 材料，頂層介質基板使用鐵氧體材料，基板之間使用臨近耦合饋電，以保留外加磁場對天線性能的調控功能。通過在鐵氧體基板上添加4 個環繞型橢圓寄生貼片，從而實現一種適用于無線局域網（wireless local area network，WLAN）的可調控寬帶天線。

1 天線設計

1.1 天線設計原理

天線設計有2 個關鍵點：一是鐵氧體材料的加載，二是層疊式結構的設計。以均勻平面波在磁化鐵氧體中的傳播為例，當外加磁場方向與平面波垂直時，磁化鐵氧體的磁導率μ為張量，即

其中：

式中：μ11，μ12，μ21，μ22，μ33均為張量μ的分量； μ0為真空磁導率； ωc=γμ0H0，為拉莫角頻率，其中 γ為荷值比（即電子電荷量的絕對值與電子質量的比值），H0為天線外加磁場的磁場強度； ωm=γμ0Ms，為與飽和磁化強度呈正比的共振角頻率，其中Ms為鐵氧體的飽和磁化強度；j 為虛數； ω為角頻率。

當外加磁場方向反置時，磁導率張量中 μ12和μ21互 換；當無外加磁場時， ωm=0， 則 μ12=μ21=0，μ11=μ22=μ33，此時鐵氧體的磁導率為標量，呈各向同性。因此，利用鐵氧體在不同磁場環境下的材料磁導率不同的特點，可將鐵氧體作為微帶天線的介質基板，通過添加不同強度的外加磁場，即可改變鐵氧體基板的磁化強度，從而實現外加磁場對天線的調控。由于部分鐵氧體材料表面光滑，不易實現高精度鍍銅和挖孔，為了降低天線的制作難度，可將天線整體設計為層疊式結構，將鐵氧體基板作為層疊式基板的頂層基板，以保證天線的可調控特性。對于具有飽和磁導率的鐵氧體，可以采用與鐵氧體介電常數相同的物質代替，從而近似求解堆疊式天線的尺寸[17-18]。

1.2 天線結構

天線由圓形貼片、橢圓寄生貼片和2 塊基板構成，如圖1 所示。頂層基板采用了鐵氧體材料，介電常數為15.1，飽和磁導率為1 200 Oe。天線外加磁場H0垂直向上，其磁化強度范圍為0～1 250 Oe。圓形貼片的圓心為頂層基板的中心，4 個橢圓寄生貼片的長軸與基板邊長L的夾角分別為45°，135°，225°，315°，且各個寄生貼片與基板中心的距離相等，以有效拓展天線的帶寬。整個天線由位于底層基板表面的饋線進行耦合饋電，底層基板RT/D 5880 材料的介電常數為2.2，損耗角正切為0.000 9。圖1 中：h1，h2，h3分別為底層基板的厚度、2 塊基板之間空氣層的厚度、鐵氧體基板的厚度；W為底層基板和鐵氧體基板的寬度；a和b分別為橢圓寄生貼片的長軸長度與短軸長度；r為圓形貼片的半徑；s為寄生貼片與圓形貼片的距離；Lf和Wf分別為饋電線的長度和寬度。

圖1 天線模型Fig. 1 Antenna model

2 天線參數

影響天線諧振頻點的因素主要包括：圓形貼片的尺寸、寄生貼片與圓形貼片的距離s以及外加磁場的磁化強度H0。通過合理控制距離s，即可有效引導天線表面電流的流向和流速，從而拓展天線的工作帶寬。圖2 所示為天線回波損耗S11隨距離s的變化情況，隨著距離s的增加，天線諧振頻點將逐漸向高頻移動，但天線帶寬則呈先增后減的趨勢。

圖2 距離s 對天線S11 的影響Fig. 2 The influence of the distance s on the S11 of antenna

由圖2 可知，天線的回波損耗響應曲線存在2 個諧振頻點，通過參數掃描顯示，高頻諧振頻點由圓形貼片產生，而低頻諧振頻點則由寄生貼片產生。圖3 所示為S11隨外加磁場磁化強度H0的變化情況，當天線周圍不存在外加磁場時，諧振頻率為5.15 GHz；當周圍存在外加磁場時，天線的諧振頻點隨著H0的增加而逐漸向高頻移動，但絕對帶寬基本保持不變。

圖3 不同外加磁場環境下的S11Fig. 3 S11 under different applied magnetic fields

圖4 所示為天線在不同外加磁場環境下的方向圖，隨著H0的變化，天線方向性未發生明顯變化，僅最高增益出現了微小改變，這說明外加磁場不會破壞天線的方向性。圖4 中，E 面和H 面分別為天線的最大輻射方向與電場方向、磁場方向所組成的平面。

圖4 不同外加磁場環境下的天線方向圖Fig. 4 Patterns of antenna under different applied magnetic fields

圖5 所示為天線貼片在諧振頻點5.15 GHz 時的表面電流分布圖，可知在不同相位下，寄生貼片上流過了不同電荷的電流，這說明寄生貼片可有效引導天線表面的電流路徑，拓寬天線的帶寬。

圖5 天線表面的電流分布Fig. 5 Current distribution on antenna surface

利用電磁仿真軟件進行計算和優化，最終得到如表1 所示的天線模型尺寸參數。

表1 天線模型參數Table 1 Dimensions of antenna model

3 測試結果分析

根據層疊式天線的設計尺寸參數，本文開展了實物加工制作，并使用Keysight 公司的E5063A矢量網絡分析儀進行測試，測試頻段為4 ～8 GHz。通過調節永磁鐵與天線之間的距離，即可控制天線外加磁場的磁化強度，測試儀器為CH-1600 高斯計。圖6 所示為天線實物與測試環境。

圖6 天線實物與測試環境Fig. 6 Antenna object and test environment

圖7 所示為天線實物在不同外加磁場環境下的S11變化曲線，當周圍不存在外加磁場時，天線的諧振頻點為5.15 GHz，且諧振頻點將隨著外加磁場磁化強度的增加而逐漸向高頻移動。由此可見，天線實物測試與仿真模擬所表現的特性一致。在無磁場環境下，S11小于-10 dB 的阻抗帶寬為4.75 ～5.73 GHz，絕對帶寬為980 MHz，在C 波段的相對帶寬為19%，即實測帶寬略大于仿真帶寬，究其原因，可能是天線組裝時h2的精度不足，從而使天線2 層基板之間的空氣層變高，整體的等效介電常數減小，最終導致品質因數Q減小，帶寬增大。基板中間空氣層的高度約為0.7 mm，難以避免組裝偏差所導致的上層基板微小傾斜，從而使2 層基板整體呈現為階梯形，這也最終導致了實測帶寬略大于仿真帶寬。

圖7 位于不同外加磁場環境下的S11 實測數據Fig. 7 Measured data of S11 in different external magnetic fields

圖8 所示為天線在E 面與H 面內的實測方向圖。天線實測方向圖具有良好的對稱性，同一頻率上隨著外加磁場磁化強度的變化，天線方向性沒有明顯的變化。3 個頻點處的最大增益都均大于9 dBi，且天線在頻點5.15 GHz 的增益達到了9.15 dBi。因此，仿真結果與實測結果驗證了該天線可以滿足寬帶、高增益、可調控等設計要求，即證實了本文設計方法的可行性。

圖8 實測的天線方向圖Fig. 8 Measured patterns of antenna

表2 所示為本文與7 篇近年來國內外文獻在寬帶天線方面的研究成果對比。設定天線波長為λ0（其值為光速與天線中心頻率之比），為了對比工作在不同頻段的天線尺寸參數，表2 的天線尺寸（長×寬×高）將以λ0為基準進行表述。本文設計的天線在帶寬、增益、尺寸等方面具有明顯優勢。

表2 天線性能對比結果Table 2 Comparison results of antenna performance

4 結 語

本文設計了一種基于鐵氧體材料的可調控層疊式微帶天線，與現有文獻中的寬帶微帶天線相比，具有更高的增益、更小的體積和更優越的性能。不僅利用鐵氧體介電常數高的特性減小了天線尺寸（實際尺寸為0.050 8 m×0.050 8 m×0.003 275 m），還利用鐵氧體磁導率在磁場環境下各向異性的特點實現了天線的可調控，可為磁可調控天線的設計和應用提供參考。需注意的是，由于磁控天線受制于外置磁鐵，因此需預留一定空間來放置磁鐵，這也是磁控天線的局限性所在。