一款超寬帶天線研究*

王一帆，廖 成

0 引 言

隨著通信系統(tǒng)和移動(dòng)平臺(tái)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)超寬帶天線的需求不斷增加。但是，如Vivaldi等類型尺寸較大的天線設(shè)計(jì)受到空間布局要求的嚴(yán)格限制，而平臺(tái)背面接地板往往是限制如螺旋天線、單級(jí)子天線等天線性能的重要因素，導(dǎo)致天線的阻抗帶寬變窄，難以實(shí)現(xiàn)超寬帶。

除此以外，傳統(tǒng)超寬帶天線的設(shè)計(jì)往往難以避免天線間互耦效應(yīng)帶來的輻射性能惡化。為了解決這個(gè)問題，需要設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的去耦網(wǎng)絡(luò)，而這將使得整個(gè)天線陣列的設(shè)計(jì)復(fù)雜、體積較大。

緊耦合天線陣列（Tightly Coupled Array，TCA）的出現(xiàn)很好地克服了傳統(tǒng)超寬帶陣列設(shè)計(jì)的一些限制[1-2]。TCA可以有效利用陣元間重疊部分的互耦作用，通過抑制天線單元末端表面電流的衰減來展寬天線頻帶，同時(shí)有效減小天線陣的整體尺寸，避免復(fù)雜去耦網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。盡管TCA可以實(shí)現(xiàn)多倍程的帶寬，但當(dāng)與接地板的距離為工作波長(zhǎng)的一半時(shí)會(huì)出現(xiàn)短路點(diǎn)，將限制其阻抗帶寬的拓展。結(jié)合電阻型頻率選擇表面，可以改善反射地板造成的天線性能惡化，進(jìn)一步拓展阻抗帶寬。

本文將緊耦合偶極子天線單元與方環(huán)形阻性頻率選擇表面相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款多層結(jié)構(gòu)的超寬帶TCA，并分析各參數(shù)對(duì)天線性能的影響，最終實(shí)現(xiàn)超寬帶。該多層結(jié)構(gòu)的TCA具有超寬帶、體積小的特點(diǎn)，對(duì)超寬帶陣列的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

1 TCA設(shè)計(jì)

1.1 TCA設(shè)計(jì)原理

TCA是基于Wheeler提出的電流面理論[3]設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)示意圖及等效電路如圖1所示。天線陣列周期為d，距接地板高度為h，TCA天線單元間產(chǎn)生的耦合電容為C，天線單元的等效電感為L(zhǎng)。天線單元的輸入阻抗為：

其中η0=120π Ω為自由空間波阻抗。在低頻段，強(qiáng)耦合電容C可補(bǔ)償接地板產(chǎn)生的感性電抗ZGP，因而可以展寬其阻抗帶寬，最終實(shí)現(xiàn)超寬帶和小型化。

圖1 TCA結(jié)構(gòu)及其等效電路

1.2 TCA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文以偶極子天線為原型進(jìn)行設(shè)計(jì)，在天線背面添加兩個(gè)方形的緊耦合結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)與偶極子天線產(chǎn)生耦合效應(yīng)，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的寬度可以改變耦合電容的大小。圖3和圖4給出了兩個(gè)重要參數(shù)對(duì)天線阻抗帶寬的影響。從圖3、圖4結(jié)果可以看出，當(dāng)左側(cè)緊耦合結(jié)構(gòu)寬度Ld的尺寸增大時(shí)，天線的駐波比系數(shù)大大增加；當(dāng)右側(cè)緊耦合結(jié)構(gòu)寬度Ld2小于2.5 mm時(shí)，隨著尺寸的增大，天線的阻抗帶寬變寬，但當(dāng)尺寸大于2.5 mm時(shí)，阻抗帶寬又進(jìn)一步惡化。綜上，最后選擇的緊耦合結(jié)構(gòu)寬度為1 mm、2.5 mm。

圖2 TCA天線正面和背面結(jié)構(gòu)

圖3 緊耦合結(jié)構(gòu)Ld對(duì)TCA阻抗帶寬影響

圖4 緊耦合結(jié)構(gòu)Ld2對(duì)TCA阻抗帶寬影響

2 RFSS設(shè)計(jì)

2.1 RFSS設(shè)計(jì)原理

當(dāng)電磁波正入射時(shí)，電場(chǎng)激勵(lì)共面垂直的金屬環(huán)間隔縫隙感應(yīng)形成等效電容，磁場(chǎng)激勵(lì)共面垂直的金屬線感應(yīng)形成等效電感，如圖5所示。間隔的金屬環(huán)等效為串聯(lián)的LC電路，正交的金屬柵格等效為電感。根據(jù)傳輸線理理論，可以計(jì)算等效電抗與物理尺寸之間的關(guān)系[4-5]。它的反射系數(shù)Γ可以表示為：

其中Y0是自由空間導(dǎo)納，Yin是吸收器的輸入導(dǎo)納。Yin可以寫為：

其中RLC枝節(jié)導(dǎo)納中的虛部和實(shí)部為：

式 中Y0i=i =1,2,3,4)，εr1=εr3=2.2，εr2=εr4=1，ω=2πf。

圖5 頻率選擇表面的等效電路

2.2 RFSS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的TCA出現(xiàn)短路點(diǎn)，限制了阻抗帶寬的拓展。為了解決這一問題，本文利用方環(huán)形電阻型頻率選擇表面有效抑制接地板的影響。利用上述原理建立對(duì)應(yīng)的等效電路，如圖6所示。將介質(zhì)層與空氣層等效為兩段傳輸線，其中介質(zhì)層厚度為h1、空氣層厚度為h2（代表RFSS與地板的間距），金屬環(huán)結(jié)構(gòu)等效為串聯(lián)的LC電路。RFSS的結(jié)構(gòu)如圖7所示，由電阻、介質(zhì)基片及地板構(gòu)成。

圖6 方環(huán)形RFSS的等效電路

圖7 方環(huán)形頻率選擇表面結(jié)構(gòu)

圖8 給出當(dāng)RFSS離接地板高度發(fā)生變化時(shí)，天線的S11參數(shù)結(jié)果。可以得知，隨著高度增加，S11的值變大，阻抗帶寬變寬，曲線相對(duì)更平滑；但當(dāng)高度大于7.5 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的阻抗帶寬反而變小。綜合來看，選擇高度為7.5 mm較合適。

圖8 S11參數(shù)隨離接地板高度Hg變化結(jié)果

圖9 給出了當(dāng)介質(zhì)層厚度變化時(shí)，天線的S11參數(shù)結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，介質(zhì)層越厚，對(duì)應(yīng)的S11參數(shù)值越大，阻抗帶寬越寬；但厚度大于2.0時(shí)，阻抗帶寬反而變小。綜合來看，選擇介質(zhì)層厚度為1.8 mm合理。

方環(huán)結(jié)構(gòu)的寬度影響LC值的大小，圖10給出了不同寬度對(duì)應(yīng)的天線S11參數(shù)。隨著寬度增大，S11變大，阻抗帶寬減小，故選擇寬度為1 mm可以很好地實(shí)現(xiàn)RFSS的性能。

圖9 S11參數(shù)隨介質(zhì)厚度變化結(jié)果

圖10 S11參數(shù)隨方環(huán)寬度變化結(jié)果

2.3 TCA單元設(shè)計(jì)與分析

圖11 （a）為加載方環(huán)結(jié)構(gòu)RFSS前的天線單元結(jié)構(gòu)圖，圖11（b）為加載后天線單元的結(jié)構(gòu)圖，其由偶極子單元、介質(zhì)匹配層、方環(huán)RFSS和接地板四部分組成。

圖11 天線結(jié)構(gòu)

設(shè)置無限周期邊界條件對(duì)加載RFSS前后的天線單元進(jìn)行仿真，得到的仿真結(jié)果對(duì)比如圖12所示。從圖12可以看出，加載RFSS后，其有效抑制了地板反射，使得4.2～6 GHz頻率范圍內(nèi)的天線輻射性能極大改善，從而增加了天線的阻抗帶寬。最終，天線單元在駐波比小于2時(shí)，工作頻段能夠覆蓋0.8～7.6 GHz。超寬帶緊耦合天線的方向圖如圖13所示。

圖12 加載RFSS前后天線駐波系數(shù)對(duì)比結(jié)果

圖13 天線單元E面和H面方向圖

3 結(jié) 語

本文以緊耦合天線基本理論與電阻型頻率選擇表面等效分析方法為基礎(chǔ)，以微帶偶極子天線為輻射單元，設(shè)計(jì)了一款基于方環(huán)形頻率選擇表面緊耦合超寬帶天線，并分析各參數(shù)對(duì)天線性能的影響以及加載頻率選擇表面前后無限周期陣列的駐波特性。最終，天線單元在駐波比小于2時(shí)，工作頻段能夠覆蓋0.8～7.6 GHz。該天線單元不僅具有超寬帶特性，還有結(jié)構(gòu)緊湊、易共形的特點(diǎn)，在超寬帶陣列天線中具有良好的應(yīng)用前景。

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