小型化微帶雙頻陣列天線

王伊，楊伯朝

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710071）

0 引言

隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展，對各種應(yīng)用于通信終端天線的需求日益增高，而微帶天線由于其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特性和低成本特性，已經(jīng)成為通信天線家族中重要的一員[1]-[4]。另外，在許多設(shè)備中都對天線小型化有很高的要求。本文通過研究微帶貼片天線半模技術(shù)實現(xiàn)天線小型化，同時將具有不同諧振頻率的天線相結(jié)合，形成雙頻特性的小型化微帶陣列[5]-[7]。

1 微帶貼片半模技術(shù)

對于常規(guī)的微帶貼片天線來說，主要通過上層貼片和地板之間形成的縫隙向外輻射電磁波，可以等效為一種縫隙天線。微帶貼片天線介質(zhì)板厚度h遠遠小于天線波長，輻射縫隙主要集中在兩寬邊處。當(dāng)通過微帶線饋電時，輻射貼片表面電流在兩個開路端之間形成駐波。

微帶天線在縱向面由于介質(zhì)板厚度遠遠小于波長，但是在橫向方向，貼片尺寸可以與波長相比擬。因此，微帶天線常常需要橫向尺寸的小型化。微帶天線常見的小型化方法包括采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板、采用加載技術(shù)以及采用曲流技術(shù)等。本文主要研究通過半模技術(shù)實現(xiàn)微帶天線單元的小型化。

通過加載短路壁是實現(xiàn)矩形貼片半模輻射的一種方式，即在微帶貼片表面電流的波節(jié)點加載短路壁，將輻射貼片和地板相接，實現(xiàn)微帶貼片天線的小型化。圖1為常規(guī)微帶貼片天線加載短路壁后天線表面電場分布示意圖。

圖1 半模矩形微帶貼片場分布示意圖

從圖1中可以看出，當(dāng)在貼片中心加載金屬短路壁后，并沒有改變貼片中心波節(jié)點特性，貼片上的電場分布依然與常規(guī)貼片相同。

圖2為兩種形式天線S參數(shù)仿真結(jié)果。

圖2 （a）常規(guī)矩形微帶貼片天線S參數(shù)

圖2 （b）短路加載貼片S參數(shù)仿真結(jié)果

從圖2中可以看出，加載短路壁后，天線的諧振頻率有所偏移，但是經(jīng)過微調(diào)頻率偏移問題可以有效得到解決。圖3為兩種天線方向圖仿真結(jié)果。

從圖3中可以看出，加載短路壁后，天線的增益降低了 1.5dB，這主要是由于天線有效輻射口徑面積減小造成。另外，天線交叉極化有所惡化，這主要是由于短路壁引入了高次模式。

圖3 （a）常規(guī)貼片方向圖仿真結(jié)果

圖3 （b）加載貼片方向圖仿真結(jié)果

2 雙頻小型化單元設(shè)計

雖然通過加載短路壁對原有天線的性能造成了影響，但是卻將微帶貼片單元的尺寸減小很多，在一些對尺寸有限制的地方仍然具有應(yīng)用前景。根據(jù)這種思路，本文將具有兩種諧振頻率的單元組合在一起，兩個貼片共用同一個短路壁，并且通過調(diào)整貼片尺寸就可以實現(xiàn)小型化雙頻單元。圖4為天線仿真模型。

圖4 小型化雙頻貼片天線

圖5為小型化雙頻微帶貼片天線S參數(shù)仿真結(jié)果。

圖5 小型化雙頻貼片天線S參數(shù)仿真結(jié)果

從圖5中可以看出，兩個輸入端分別在2.57GHz和3.43GHz形成了諧振。兩天線的極化方式相同，在整個帶寬內(nèi)，兩端口的隔離度均在25dB以上。

3 小型化雙頻陣列

為了將小型化雙頻單元應(yīng)用于陣列天線中，本文設(shè)計了相應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了一維小型化雙頻陣列。天線仿真模型如圖6所示。

圖6 小型化雙頻微帶陣列

圖7為陣列天線S參數(shù)仿真結(jié)果。圖8為方向圖仿真結(jié)果。

從圖7中可以看出，兩個輸入端分別在2.56GHz和3.28GHz形成了諧振，和單元特性保持一致。兩端口的隔離度均大于28dB，要強于單元特性。

圖8為陣列兩端口不同頻率貼片的方向圖，從圖中可以看出，由于不同諧振頻率貼片影響，E面方向圖（phi=0°）最大值方向偏離法線方向，但是鑒于較寬的波束寬度，對天線性能影響較小。

圖7 小型化雙頻陣列S參數(shù)仿真結(jié)果

圖8 （a）低頻段方向圖

圖8 （b）高頻段方向圖

4 結(jié)論

本文采用基于加載短路壁形成半模輻射的方法，在原有單元輻射效率的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了微帶貼片天線的小型化。并將兩種諧振在不同頻率的天線組合，使得在有限尺寸下天線具有兩個諧振頻率。

最后，通過將單元組陣，實現(xiàn)了具有雙頻特性的小型化貼片陣列。相比較常規(guī)貼片陣列，其尺寸減小2/3以上。

通過對模型的仿真分析，天線單元和陣列S參數(shù)結(jié)果和方向圖結(jié)果滿足要求，可以進行下一步的工作，如提高天線輻射效率和展寬帶寬等。