一種寬頻帶高增益16單元微帶天線陣設(shè)計(jì)?

倪國(guó)旗，梁軍，余白平，張濤（.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林54004；.桂林空軍學(xué)院，廣西桂林54003）

一種寬頻帶高增益16單元微帶天線陣設(shè)計(jì)?

倪國(guó)旗1，2，??，梁軍1，余白平2，張濤1
（1.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004；2.桂林空軍學(xué)院，廣西桂林541003）

設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為6.52 GHz具有寬頻帶高增益特性的16單元微帶天線陣。綜合運(yùn)用H型縫隙耦合饋電技術(shù)、插入空氣層技術(shù)和在貼片天線上切角的方法展寬天線的帶寬。該天線陣由兩層介質(zhì)板構(gòu)成，采用反相饋電可抑制高次模的耦合，交叉極化電平低。使用三維電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)該天線陣進(jìn)行仿真優(yōu)化，并根據(jù)仿真結(jié)果做成實(shí)物加以驗(yàn)證。對(duì)實(shí)物的測(cè)量結(jié)果表明：天線陣仿真阻抗帶寬（S11≤－10 dB）為21.5%，增益為19.85 dB；實(shí)測(cè)阻抗帶寬（S11≤－10 dB）為22.5%，增益為18.8 dB。天線陣性能良好，能滿足工程實(shí)際要求。

微帶天線陣；貼片天線；縫隙耦合饋電；寬頻帶；高增益；切角

1 引言

隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，微帶天線日益受到人們的青睞。與普通微帶天線相比，微帶天線具有剖面薄、體積小、易與有源器件集成和制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但是微帶天線也有其固有缺點(diǎn)，由于Q值高，因此其帶寬較窄；微帶天線單元增益不高，一般只能達(dá)到6～8 dB左右。因此，研究微帶天線的寬頻帶和高增益特性一直是天線工程師們十分關(guān)心的問題。

展寬天線頻帶的途徑有很多，如增大基片厚度，附加寄生貼片，采用電磁耦合饋電，附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等。目前，各種不同形式的天線陸續(xù)研發(fā)出來，比如雙層貼片天線、T型微帶饋電的矩形寬縫縫隙耦合天線，研究學(xué)者們進(jìn)行了不懈的努力，取得了較大的進(jìn)展［1－3］。但這些天線增益普遍較低，且在結(jié)構(gòu)上無法進(jìn)行組陣提高增益。本文研究了一種寬頻帶高增益微帶天線的設(shè)計(jì)方法，并用該方法設(shè)計(jì)了一個(gè)16單元的微帶天線陣列。仿真和實(shí)物天線測(cè)量結(jié)果表明，該天線頻帶寬，增益高，具有良好的性能。

2 天線單元設(shè)計(jì)原理

2.1 天線單元貼片形狀及尺寸的選擇原理

天線單元貼片形狀的選擇有多種，如矩形、圓形、橢圓形、圓環(huán)形和三角形等，其中矩形和圓形是微帶貼片天線最常用的形式。本文采用的是矩形微帶貼片天線，其一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。

分析微帶天線的基本理論大致可分為3種：傳輸線模型（Transmission Line Model，TLM）理論、空腔模型（Cavity Model，CM）理論、積分方程法（Integral E-quation Method，IEM）即全波（Full Mave，F(xiàn)M）理論。由于第一種分析計(jì)算最簡(jiǎn)單，本文選用的又是規(guī)則的矩形貼片，所以我們使用第一種方法分析計(jì)算出矩形貼片的尺寸值。在圖1中，假設(shè)矩形貼片寬度為W，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，介質(zhì)板的厚度為h，相對(duì)介電常數(shù)為εr，則有

式中，c為光速，f0為矩形貼片天線的工作頻率。當(dāng)貼片寬度大于式（1）時(shí)，微帶貼片天線將可能產(chǎn)生高次模，引起場(chǎng)的畸變。

考慮到邊緣縮放效應(yīng)，則有

式中的延伸量

等效介電常數(shù)

2.2 展寬天線單元帶寬的設(shè)計(jì)方法

根據(jù)天線理論，展寬天線單元帶寬的設(shè)計(jì)方法主要有以下幾種。

（1）降低等效諧振電路的Q值

微帶天線阻抗頻帶窄的根本原因在于它是一種諧振式天線，它的諧振特性猶如一個(gè)高Q值并聯(lián)諧振電路。展寬帶寬基本途徑是降低等效諧振電路的Q值，即增大介質(zhì)板厚度h和降低介質(zhì)板的介電常數(shù)εr。但介質(zhì)板厚度過大會(huì)引起表面波的明顯激勵(lì)和導(dǎo)致空間發(fā)射效率下降；降低εr的潛力也是有限的，其最小值只能到1，即采用空氣介質(zhì)。

（2）改變輻射貼片的形狀

在微帶天線輻射貼片的不同位置開不同形狀的槽，使輻射貼片獲得不同的表面電流，等效于引入阻抗匹配元件，使天線的饋電端形成多級(jí)的等效諧振電路，從而實(shí)現(xiàn)頻帶的展寬。

（3）修改等效電路

修改等效電路的一種有效措施是附加寄生貼片，它們可以是共面配置的，也可以是上下配置的［4］。由于寄生貼片的存在，其駐波曲線容易形成雙諧振特性，能夠很好地展寬帶寬。

（4）附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

由于線極化微帶天線的工作帶寬主要受其阻抗帶寬限制，因此采用饋線匹配技術(shù)能使它工作于較寬頻域上。例如，采用簡(jiǎn)單的雙枝節(jié)（開路微帶線）匹配技術(shù)，可使帶寬增大至2倍左右。

2.3 天線單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由前面提高天線單元帶寬的方法可知，采用低介電常數(shù)介質(zhì)板和對(duì)矩形貼片進(jìn)行合適的切角可提高帶寬。本文設(shè)計(jì)的天線單元結(jié)構(gòu)采用兩塊介質(zhì)板間插入空氣層和對(duì)矩形貼片切角的方法提高天線的帶寬。插入空氣層能夠降低介質(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù)，對(duì)矩形貼片切角可以改變貼片上的表面電流。

本文設(shè)計(jì)的天線單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是上下兩層結(jié)構(gòu)，由不同性能覆銅板（介質(zhì)板）構(gòu)成。輻射貼片位于上層介質(zhì)板的正面，接地板和饋線分別位于下層介質(zhì)板的正面和背面，接地板中間開一個(gè)H形縫隙，輻射貼片上的能量通過縫隙耦合到饋線上。上層介質(zhì)板采用的是Arlon公司的DiClad 880（介電常數(shù)為2.2，厚度為1mm）介質(zhì)基板，以減小輻射損耗，并展寬頻帶；下層介質(zhì)板采用的是Rogers公司的RO4003C（介電常數(shù)為3.38，厚度為0.813mm）介質(zhì)基板，以減少漏波，增大能量耦合效率。兩介質(zhì)板間插入空氣層作為間隔，其間距約為0.1λ，插入空氣層相當(dāng)于減小上層介質(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù)，降低了微帶天線的Q值，達(dá)到增加天線帶寬的目的［5－7］。

由圖2可知，矩形貼片的兩個(gè)長(zhǎng)邊上各切一個(gè)小矩形，它們是關(guān)于矩形貼片的中心旋轉(zhuǎn)180°對(duì)稱的；同樣在矩形貼片的兩個(gè)寬邊各切一個(gè)小矩形，它們也是關(guān)于矩形貼片中心旋轉(zhuǎn)180°對(duì)稱的。把這兩個(gè)矩形的尺寸分別定義為（a1，b1）、（a2，b2）。貼片長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為W。H型縫隙饋線的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度為M，短邊長(zhǎng)度為N。饋線長(zhǎng)度為R，寬度為d。

使用三維電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)上述天線結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，最后得到參數(shù)的最優(yōu)值為：兩層介質(zhì)板間的空氣層厚度h＝2mm，W＝L＝15mm，W1＝6mm，W2＝7mm，L1＝5.8mm，L2＝9.2mm，M＝7.4mm，N＝3.2mm，R＝18.5mm，d＝ 1.8mm，a1＝5.8mm，b1＝1mm，a2＝3mm，b2＝1mm。

3 天線陣設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以上述微帶天線單元為基礎(chǔ)，組成16單元微帶陣列天線，其結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。為了減小交叉極化，有效抑制高次模的耦合激勵(lì)，天線陣列采用反相饋電技術(shù)，對(duì)相鄰單元進(jìn)行饋電。饋電網(wǎng)絡(luò)由多級(jí)T型等分威爾金森功分器組成，功分器采用λ／4阻抗匹配枝節(jié)設(shè)計(jì)，使調(diào)試簡(jiǎn)單方便［8］。

天線的單元間距對(duì)天線陣的增益有重大影響，我們要避免單元間互耦過大并出現(xiàn)柵瓣，理論上當(dāng)d／λ0（d為陣元間距離，λ0為工作波長(zhǎng)）取0.8～0.9時(shí)，天線陣方向系數(shù)和增益達(dá)到最佳。經(jīng)多次仿真優(yōu)化后，取d＝39mm（約為0.847λ0）。制作的天線陣實(shí)物如圖3（b）所示，天線陣的尺寸為14.6 cm×15.2 cm。

3.2 饋電設(shè)計(jì)

由于微帶天線的單元增益普遍不高，因此提高微帶天線增益的有效方法是將單元組陣。在選定單元形狀和尺寸后，精心選擇和設(shè)計(jì)天線陣中的饋電網(wǎng)絡(luò)則對(duì)提高天線陣增益起著重要作用。因?yàn)樘炀€陣饋電網(wǎng)絡(luò)能保證各陣元所需求的激勵(lì)振幅和相位，從而使天線的方向圖性能更好，或其他某項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到最好。對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)的主要要求是阻抗匹配、損耗小、頻帶寬和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。并聯(lián)同相饋電和并聯(lián)反相饋電是在并聯(lián)饋電中使用較多的兩種饋電方式，通常稱為同相饋電和反相饋電，本文中天線陣所采取的饋電網(wǎng)絡(luò)為反相饋電。

4 天線性能分析

4.1 天線單元的S11曲線分析

為了便于比較矩形貼片切角與不切角時(shí)的性能特性，我們使用HFSS軟件對(duì)它們進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到天線單元切角與不切角時(shí)S11參數(shù)曲線圖如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)貼片不切角時(shí)，S11＜－10 dB時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍為6.16～6.92 GHz；當(dāng)貼片切角時(shí)，S11＜－10 dB時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍為5.83～7.13 GHz，帶寬變寬，其阻抗帶寬達(dá)到19.9%。由仿真結(jié)果可知貼片切角時(shí)的性能優(yōu)于不切角時(shí)的性能，從而證實(shí)了貼片切角的有效性。天線單元增益為8.49 dB，因此天線單元的帶寬特性和增益特性都很好。

4.2 天線陣的S11曲線仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

對(duì)圖3（a）的天線陣列進(jìn)行仿真優(yōu)化，所得最優(yōu)的S11曲線如圖5中虛線所示。對(duì)于圖3（b）的天線陣列實(shí)物，使用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線陣列S11進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量結(jié)果如圖5中實(shí)線所示。

由圖5可知，天線陣在6.2～7.6 GHz范圍內(nèi)S11≤－10 dB，實(shí)際帶寬為1.4 GHz，阻抗帶寬為21.5%。由天線陣的實(shí)測(cè)結(jié)果可知，天線陣實(shí)測(cè)在6.05～7.52 GHz范圍內(nèi)S11≤－10 dB，實(shí)際帶寬為1.47 GHz，阻抗帶寬為22.5%。比較實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果，天線陣的實(shí)測(cè)帶寬略大于仿真值，只是實(shí)測(cè)結(jié)果向低頻端偏移了一點(diǎn)。造成誤差的原因可能有以下幾個(gè)：腐蝕時(shí)加工誤差、接頭處的焊錫引起阻抗失配和兩個(gè)介質(zhì)板間的空氣層厚度控制不好。但天線陣的回波損耗S11曲線實(shí)測(cè)效果良好，滿足阻抗帶寬大于10%的設(shè)計(jì)要求。

4.3 天線陣方向圖的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

在微波暗室中對(duì)16單元天線陣列實(shí)物方向圖進(jìn)行測(cè)試，在頻率點(diǎn)6.22 GHz、6.52 GHz和6.92 GHz時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)分別如表1～3所示。

表1中，天線陣在6.22 GHz處仿真增益為19.87 dB，實(shí)測(cè)增益為18.9 dB，主瓣方向?yàn)樘炀€法線方向。實(shí)測(cè)E面半功率波束寬度為15.8°，比仿真窄0.5°，H面半功率波束寬度為14.5°，比仿真窄0.8°。實(shí)測(cè)歸一化第一旁瓣電平約為－10 dB，這比仿真值要大2.5 dB。

表2中，天線陣在6.52 GHz處的仿真增益為19.85 dB，實(shí)測(cè)增益為18.8 dB，主瓣方向?yàn)樘炀€法線方向。實(shí)測(cè)E面半功率波束寬度為15.7°，比仿真窄0.5°，H面半功率波束寬度為15°，比仿真窄0.7°。實(shí)測(cè)歸一化第一旁瓣電平約為－10 dB，這比仿真值要大2 dB。

表3中，天線陣在6.92 GHz處的仿真增益為19.86 dB，實(shí)測(cè)增益為18.9 dB，主瓣方向?yàn)樘炀€法線方向。實(shí)測(cè)E面半功率波束寬度為15.8°，比仿真窄0.5°，H面半功率波束寬度為15.0°，比仿真窄0.8°。實(shí)測(cè)歸一化第一旁瓣電平約為－11 dB，這比仿真值要大2 dB。

由上面的分析可知，天線陣列在中心頻率6.52 GHz處的增益為18.8 dB，滿足增益大于18 dB的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文綜合運(yùn)用H型縫隙耦合饋電技術(shù)、插入空氣層技術(shù)和在貼片天線上切角的方法設(shè)計(jì)出了一種小型化微帶陣列天線，軟件仿真結(jié)果表明可以實(shí)現(xiàn)天線的高增益、寬頻帶特性。制作出了天線實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)用于某項(xiàng)目發(fā)射模塊，無論是在天線的結(jié)構(gòu)上還是在天線的性能上都達(dá)到設(shè)計(jì)要求，特別是天線的寬帶特性、高增益特點(diǎn)，解決了該項(xiàng)目中發(fā)射能量有效輻射的關(guān)鍵性問題，得到專家們的充分肯定。不足之處是，天線上下兩層介質(zhì)板的固定有待改進(jìn)，以使天線性能進(jìn)一步提高。

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NIGuo-qi was born in Hubei Province，in 1964.He received the Ph.D.degree froMBeijing Institute of Technology in 2008.He isnow a professor and also the instructor of graduate students.His research interests include micorwave technology and antenna，microwave devices andmaterial.

Email：ngq157＠163.com

梁軍（1984—），男，廣西人，2012年于桂林電子科技大學(xué)獲碩士學(xué)位，主要研究方向?yàn)槲炀€、無源器件；

LIANG Jun was born in Guangxi Zhuang Autonomous Region，in 1984.He received the M.S.degree froMGuilin University of Electronic Technology in 2012.His research interests include micorstrip antenna and passive devices.

Email：liangjun3697＠126.com

余白平（1986—），女，湖北人，2012年于桂林電子科技大學(xué)獲碩士學(xué)位，主要研究方向?yàn)槲炀€、無源器件；

YU Bai-ping was born in Hubei Province，in 1986.She received the M.S.degree froMGuilin University of Electronic Technology in 2012.Her research interests includemicorstrip antenna and passive devices.

Email：yubaipingping＠126.com

張濤（1987—），男，山東人，2009年于桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院獲通信工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲炀€、無源器件。

ZHANG Tao was born in Shandong Province，in 1987.He received the B.S.degree froMGuilin University of Electronic Technology in 2009.He is now a graduates student.His research interests includemicorstrip antenna and passive devices.

Email：glzt0077＠163.com

Design of a 16-element Broadband and High Gain Microstrip Array Antenna

NIGuo-qi1，2，LIANG Jun1，YU Bai-ping2，ZHANG Tao1
（1.School of Information and Communication Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China；2.Guilin Air Force Academy，Guilin 541003，China）

A broadband and high gain 16-elementmicrostrip array antenna working at 6.52 GHz is designed in this paper.The H-shaped aperture-coupled feeding，inserting the air layer technology and cutting down squares at the patch antenna are adopted to achievewider bandwidths.The antenna array is consisted of double-layered substrates.The anti-phase feeding technique that contributes to suppress the higher ordermodes and decrease cross-polarization is also applied.A 3D electromagnetic software（Ansoft HFSS）is used to simulate and optimize the antenna.According to simulated and optimized results，antenna array ismanufactured.The simulation results show that the impedance bandwidth of themicrostrip array antenna is as good as 21.5%（S11≤－10 dB）and the gain is19.85 dB.And themeasured results is that the impedance bandwidth of themicrostrip array antenna is as good as22.5%（S11≤－10 dB）and the gain is18.8 dB.Therefore，the antenna arraywith good performance canmeet the practical requirements.

microstrip antenna array；patch antenna；aperture-coupled feeding；broadband；high gain；cutting edges

The Scientific Research Foundation of Guangxi for Returned Chinese Scholars（No.0991021）

date：2012－12－28；Revised date：2013－04－12

廣西回國(guó)基金項(xiàng)目（桂科回0991021）

??通訊作者：ngq157＠163.coMCorresponding author：ngq157＠163.com

TN822

A

1001－893X（2013）06－0786－05

倪國(guó)旗（1964—），男，湖北人，2008年于北京理工大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槲⒉夹g(shù)與天線、微波器件與材料；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.06.023

2012－12－28；

2013－04－12