基于人工磁導體的超寬帶高增益天線設計

梁偉龍,李 龍,巫 釗,黃艷虎

(1.南京電子技術研究所,江蘇 南京 210013;2.玉林師范學院 物理與電信工程學院,廣西 玉林 537000)

0 引言

隨著無線通信技術的飛速發展,無線通信環境也正在變得愈發復雜,頻譜資源趨于緊張,這對現代無線通信的容量和質量提出了更高要求。 天線寬帶化和高增益可以提高通信系統容量和提升抗干擾能力,從而提高通信質量[1-2]。

目前,天線寬帶化技術手段主要包括加載寄生單元、縫隙耦合饋電、漸變輻射單元等。 天線通過加載寄生單元,引入多頻諧振,從而實現天線寬帶化。 但傳統寄生貼片也會增強表面波損耗,從而降低天線效率和增益。 天線采用耦合饋電可以產生寄生耦合,從而降低天線Q 值,實現寬帶化,但寄生耦合擴頻能力有限,無法滿足超寬帶化需求。 漸變輻射單元的設計類似于Vivaldi 天線,漸變的結構有利于優化阻抗匹配,從而獲得寬帶性能,但增益較低、損耗高是該方法的不足之處[3-7]。

為了解決傳統寬帶天線增益低的問題,本文提出了一種基于人工磁導體的超寬帶高增益天線。 天線由輻射單元、AMC 反射板和寄生超表面單元組成。 天線的輻射單元為梯形結構,其漸變的結構有利于天線獲得超寬帶性能。 AMC 反射板和寄生超表面單元的引入,降低了天線背向輻射水平,大大提升了天線的定向性。 此外,在輻射單元和寄生單元之間引入了寄生耦合,天線達到了改善阻抗匹配的效果。 仿真結果顯示,天線工作帶寬(|S11|≤-10 dB)達到94.8%(2.13 ～5.97 GHz),峰值平均增益9.5 dBi。

1 天線設計

天線結構如圖1 所示。 天線主要由3 部分組成,包含輻射單元、AMC 反射板和寄生超表面單元。 其中,AMC 反射板和輻射單元分別印刷在1 mm 和0.8 mm厚度的FR-4 介質板上,介電常數εr為4.4。 寄生超表面單元印刷在2 mm 厚度的Rogers 4003(tm)介質板上,介電常數εr為3.55。 輻射單元為梯形輻射貼片,它與參考地單元印刷在介質板的同一側。 梯形輻射貼片漸變的邊緣結構有利于調諧天線阻抗匹配,降低天線的Q 值,從而實現天線的寬帶特性。 AMC 反射板由9×9 四角星形AMC 單元組成,置于輻射單元下方,實現天線的定向輻射。 寄生超表面單元由5×5 箭形單元組成,置于輻射單元上方。 輻射單元和寄生單元之間引入寄生耦合,改變天線電流分布,通過感應電流激勵產生高次模,從而改善阻抗匹配,拓展天線帶寬。 相較于傳統的加載寄生貼片單元的拓頻技術,采用寄生超表面單元不僅沒有犧牲天線增益,相反地,顯著改善了高頻工作段的峰值增益。

圖1 天線結構

經過仿真優化,得到了天線最終設計及各尺寸參數,如圖2 和表1 所示。

表1 天線結構參數

2 天線分析

本文所提出天線設計步驟如圖3 所示,圖4 給出了3 種天線設計的仿真結果。 首先,根據Vivalid 天線的寬帶輻射特性,本文設計了梯形形狀的輻射貼片,輻射貼片嵌入蝕刻了梯形槽的參考地平面。 梯形輻射貼片的寬度逐漸增加,其工作原理類似喇叭天線,向外輻射電磁波。 由于不同工作頻率電磁波對應不同的電長度,所以漸變的結構可以滿足不同頻率電磁波的輻射需要。 因此,合理地設計梯形輻射單元的漸變幅度可以實現天線寬帶化性能。 最終,天線1 幾乎覆蓋了2.2 GHz 到 5.9 GHz 頻段,帶內平均峰值增益約4.5 dBi。 雖然在4.5 GHz 附近阻抗匹配略差,但這驗證了梯形輻射單元的寬頻特性。 為了改善天線的增益性能,天線2 在天線1 的基礎上加入了寄生AMC 反射板。 AMC 輻射單元采用四角星結構設計,相較于傳統的矩形貼片,四角星結構可以在不增加單元尺寸的情況下,延長AMC 單元的電長度,實現了AMC 單元小型化。 最終,為了滿足超寬帶的反射相位,AMC 反射板置于輻射單元下約1/4λ (4 GHz)處,天線實現帶內平均峰值增益約8.5 dBi。 可見,AMC 反射板的加入,大大提升了天線的定向性。

圖3 天線結構演變

圖4 3 種天線設計性能比較

受到微帶天線固有的表面波損耗大特性的影響,天線2 高頻段的峰值增益呈下降趨勢。 為了降低天線的表面波損耗,提高天線的定向性,改善其阻抗匹配,天線3 加入了箭形超表面寄生單元。 同樣地,與矩形貼片相比,箭形單元可以延長貼片電長度,實現超表面的小型化。 相較于傳統的貼片寄生單元,超表面寄生單元可以抑制表面波損耗,從而改善天線增益天線。此外,輻射單元與寄生單元之間引入寄生耦合,引入新的諧振點,實現多頻諧振,改善阻抗匹配,從而實現了天線的超寬帶化。 最終,天線工作帶寬達到94.8%,完全覆蓋2.13 GHz 到5.97 GHz 頻帶,帶內平均峰值增益9.5 dBi。 寄生超表面達單元的加入,改善阻抗匹配的同時,抑制表面波損耗,顯著改善了天線高頻段的增益性能。

為了進一步驗證梯形輻射貼片的寬帶特性,本文采用了特征模式分析法研究天線的寬頻特性。 由于天線輻射的本質是邊緣輻射,所以只需對梯形貼片和參考地單元之間的梯形環縫隙進行特征模式分析,即可得到輻射單元的寬帶特性原理。 如圖5 所示,通過仿真,得到了縫隙的前6 個特征模式的模式因子MS。 可以看到,模式3 的模式因子在所研究頻帶內小于0.2,不易被激勵。 而其余5 個特征模式的模式因子均有模式因子為1 的頻點,所以有被激勵起來的潛力。 另外,各模式諧振點下的電流分布如圖6 所示,模式1,4,6的模式電流相互抵消,因此這3 個模式也不易被激勵。模式2 的電流分布主要集中在上邊和底邊,而模式5則主要集中在底邊。 基于模式因子和電流分布特性分析,模式2,5 具備激勵起來的條件。 所以,可以在縫隙底邊位置適當添加激勵,將特征模式2,5 激勵起來,實現本天線的寬帶化特性。 在輻射單元底部添加激勵后,圖7 給出了模式加權系數MWC 的仿真結果。 可見,該貼片只有特征模式2,5 被激勵起來,此仿真結果與前文分析結果一致。

圖5 模式因子MS

圖6 特征電流分布

圖7 模式加權系數

3 結語

本文提出了一款基于人工磁導體的超寬帶高增益天線。 天線的輻射體采用漸變結構設計以實現寬帶化,引入AMC 反射板實現天線定向輻射。 與傳統的寄生單元表面波損耗嚴重不足相比,天線加載了超表面寄生單元,不僅可以改善阻抗匹配,實現超寬帶化,還可以抑制表面波損耗,實現高增益,這也是本文的亮點之一。 最終,天線工作帶寬達到94.8%,平均峰值增益9.5 dBi,滿足目前2/3/4/5G 移動通信、WiFi 無線通信和S/C 波段衛星通信頻段,具有廣泛應用前景和研究價值。