寬帶毫米波微帶天線的設計

周大利，周 駿，楊駕鵬，沈 亞

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寬帶毫米波微帶天線的設計

周大利，周 駿，楊駕鵬，沈 亞

（南京電子器件研究所，江蘇 南京 210016）

設計并實現(xiàn)了一款寬帶毫米波微帶天線。天線由微帶線通過PCB通孔激勵中心貼片，中心貼片諧振于45 GHz。放置于中心貼片兩側的兩個寄生貼片，通過耦合產(chǎn)生兩個在45 GHz附近的諧振頻率。適當調整貼片大小，三個諧振頻率合成一個寬帶。經(jīng)測試，天線帶寬9.9 GHz，帶寬比達到22%，與仿真結果基本一致。在此基礎上，利用八木天線原理，改變天線尺寸關系，實現(xiàn)了主波束輻射方向偏轉控制。

微帶天線；寬帶；背饋；毫米波；八木天線；PCB板

微帶天線在可集成方面具有突出優(yōu)勢：體積小、質量小、低剖面、容易做到與高速飛行器共形等，且電氣性能多樣（如雙頻、多極化等），尤其容易與有源器件、微波電路集成為一體化組件。三維集成技術的發(fā)展，使得天線與收發(fā)組件的一體化集成成為可能。特別是對于毫米波頻段，微帶天線的集成優(yōu)勢更加突出。

但微帶天線的帶寬、增益等關鍵性能較差。在微帶天線的集成優(yōu)勢的基礎之上，提高微帶天線的輻射性能，就成為了天線設計的主要研究方向之一。

本論文專注于提高微帶天線的帶寬。Kumar等[1-2]于1985年首次介紹了在一個微帶貼片兩邊各通過耦合激勵寄生貼片形成寬帶天線，天線工作在480 MHz及815 MHz，帶寬達到了20%以上。文獻[3]在這種天線基礎上，運用微帶八木天線的相關原理[4-11]，研究制作了三頻微帶八木天線，增益達到6 dB左右；但尚無將其應用于毫米波波段的例子。本文天線頻段設置在Q波段，采用了背饋饋電方式，設計寬帶微帶天線，仿真帶寬在9.6 GHz以上，增益約5 dB左右。加工獲得實物天線，測量結果與仿真結果基本一致，得到了9.9 GHz帶寬，帶寬比為22%，在毫米波波段實現(xiàn)了寬帶微帶天線。

1 微帶天線傳輸線模型

矩形微帶天線可以看作長為，寬為的傳輸線，沿方向的終端呈現(xiàn)開路，從而形成電壓波腹。長度大約取半個線上波長，這樣，在邊另一端也是電壓波腹。兩端的電場均可以分解為相對于接地板的垂直分量和水平分量。兩垂直分量方向相反，所產(chǎn)生的遠區(qū)場反相相消；水平分量方向相同，所產(chǎn)生的遠區(qū)場同相疊加。

因此，兩開路端的水平分量可以等效為無限大平面上同相激勵的兩個縫隙，如圖1所示，縫隙的電場方向與長邊垂直，并沿長邊均勻分布，縫的寬度為半個線上波長。這就是說，微帶天線的輻射可以等效為由兩個縫隙組成的二元陣列[12]。

圖1 微帶天線的等效輻射縫隙

考慮到理想接地板上磁流的鏡像，縫隙的等效磁流密度要乘以2，故方向等效磁流為

再設磁流沿方向也是均勻的，并注意到遠小于波長，則單縫輻射的遠區(qū)場為

圖2 等效縫隙

其E面輻射方向性函數(shù)如圖3所示。

圖3 理想微帶天線方向圖

Fig.3 Radiation pattern of idea microstrip antenna

從以上分析可知，微帶天線的波瓣較寬，方向系數(shù)較低，這正是微帶天線的缺點。

2 寬帶微帶天線仿真設計

2.1 結構設計

在中心貼片兩側各添加一個諧振貼片，通過耦合激勵，使寄生貼片諧振。調整貼片的尺寸，使三個諧振貼片連成一個寬帶，天線模型如圖4所示。根據(jù)尺寸與諧振頻率的關系[13]。

式中

式中：為貼片厚度；e為有效介電常數(shù)；g為線上波長；D為調制因子；為光速；為頻率。

圖4 寬帶天線

2.2 饋電設計

天線采用PCB4350板，上層厚度0.254 mm，下層0.108 mm，中間兩層0.1 mm，PCB膠粘合。為了實現(xiàn)天線與有源芯片部分的集成，采用背饋方式饋電，見圖5。微帶線通過通孔，激勵中心貼片。

圖5 天線背饋設計

2.3 尺寸設計及仿真結果

考慮到三個貼片間的耦合效應，三貼片之間會產(chǎn)生一定影響。通過HFSS仿真設計，實現(xiàn)阻抗及帶寬優(yōu)化。得到三個貼片的尺寸分別為：1.57 mm×1.57 mm，1.4 mm×1.35 mm，1.5 mm×1.4 mm。仿真結果如圖6、圖7所示，天線帶寬達到9.7 dB，相對帶寬大于20%，端射增益為4.8 dB。

圖6 寬帶天線仿真

圖7 寬帶天線方向圖

3 主波束方向控制

由以上仿真結果看到，中間的貼片最大，其余兩個貼片都小于1.57 mm×1.57 mm，天線方向在主波束輻射方向。要想實現(xiàn)輻射方向偏轉，可以運用八木天線原理。八木天線的基本原理是：主振子等于二分之一波長，反射器略長于二分之一波長，引向器略小于二分之一波長，相鄰振子間距為四分之一波長。此時，反射器呈感性，感應電流滯后90°，輻射到主振子后滯后90°，加起來相位差180°，在這個方向起到了抵消作用；而引向器呈容性，感應電流超前90°，與輻射到主振子滯后的90°正好抵消，在這個方向實現(xiàn)了加強，即實現(xiàn)了引向。因此，將貼片1尺寸改變，使其大于貼片2，這樣，就能夠使主波束輻射方向產(chǎn)生偏移，使其位于邊射方向和端射方向之間，也就實現(xiàn)了主波束方向的偏移，見圖8。

圖8 八木結構微帶天線方向圖

當然，改變引向器的數(shù)量，可以進一步調整方向。這種主波束方向存在一定仰角的情況，可以滿足一些星載、彈載等特殊的通訊需求。

如上所述，三個貼片尺寸修改為：1.60 mm×1.60 mm，1.57 mm×1.57 mm，1.40 mm×1.40 mm。從圖8可以明顯看到，天線主波束自端射方向偏離了30°，端射增益5 dB。

4 測試結果與分析

對圖6天線進行加工，得到天線實物如圖9。

圖9 天線實物圖

采用Keysight PNA Network Analyzer N5227A 10M-67 GHz矢量網(wǎng)絡分析儀，用校準件BE-583J進行校準后，測得天線11參數(shù)如圖10所示（圖中所示為兩個單線單元）?？梢姡?1.2~52.1 GHz共9.9 GHz帶寬，帶寬比達到22%，與仿真結果基本一致。

圖10 天線仿真結果與測試結果

對比仿真結果與測試結果，分析得到以下結果：

1）測試諧振頻率略微偏高可能由以下兩個原因：

I. R4350板在高頻處的介電常數(shù)略微升高；

II. 頻率對天線尺寸較為敏感，加工誤差可能有一定影響。

2）最低諧振頻率點明顯偏移，可能是貼片尺寸的加工誤差造成的。

5 結論

設計了一種寬帶微帶天線，其頻段在Q波段，采用了背饋饋電方式，仿真帶寬在9.6 GHz以上，增益約為5 dB。加工獲得實物天線，測量結果與仿真結果基本一致，得到了9.9 GHz帶寬，帶寬比為22%，在毫米波波段實現(xiàn)了寬帶微帶天線。

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（責任編輯：陳渝生）

Design of wide band millimeter-wave microstrip antenna

ZHOU Dali, ZHOU Jun, YANG Jiapeng, SHEN Ya

(Nanjing Electronic Device Institute, Nanjing 210016, China)

A wide band millimeter wave microstrip antenna was designed and tested. The central antenna patch was excited by a microstrip line via PCB and the central frequency was 45 GHz. Beside the central patch, another two patches were excited by coupling and resonated at around 45 GHz. Adjusting sizes of patches, three resonant frequencies composed a wide band. After testing, the bandwidth is 9 GHz, bandwidth ratio is 22%, which are coincident with simulation results. Further, the size relationship between patches was changed according principle of Yagi antenna, and the radiation direction was controlled.

microstrip antenna; wide band; back feed; millimeter wave; Yagi antenna; PCB

10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.02.010

TN702

A

1001-2028（2018）02-0055-04

2017-11-16

周駿

周駿（1984－），男，浙江長興人，高級工程師，主要研究方向為三維高密度收發(fā)組件；周大利（1991－），男，山東榮成人，研究生，主要研究方向為射頻微系統(tǒng)。