一種雙頻層疊H型縫隙微帶陣列天線的設(shè)計及分析

張佳偉 張建宇 黃亮 姚斌

摘 要：為滿足雙頻雙方向的工作要求，文章設(shè)計了一款雙頻層疊H型縫隙微帶陣列天線。采用基板—空氣—基板3層結(jié)構(gòu)及同相并饋功分網(wǎng)絡(luò)饋電結(jié)構(gòu)，在減小尺寸的同時實現(xiàn)阻抗的更優(yōu)匹配。采用H型縫隙結(jié)構(gòu)、錯位雙陣列八陣元結(jié)構(gòu)實現(xiàn)雙頻雙方向輻射特性。仿真結(jié)果顯示，天線在2.8 GHz和3.9 GHz兩個工作頻段增益為12.4 dB。中心頻率為3.9 GHz時，|S11|<-10 dB，帶寬為130 MHz。中心頻率為2.8 GHz時，|S11|<-10 dB，帶寬為100 MHz。

關(guān)鍵詞：H型縫隙；微帶陣列天線；雙頻；雙方向

考慮到空氣動力學(xué)的影響，高速飛行器難以在其外部架設(shè)天線。微帶縫隙天線具有體積薄、易共形等特點，易于集成在飛行器內(nèi)部，從而在飛機、導(dǎo)彈等高速飛行器上得到了廣泛應(yīng)用。然而，隨著無線通信的飛速發(fā)展，高速、多方向性通信成為新的發(fā)展要求，而微帶天線帶寬窄、方向性單一等局限性卻極大制約了其在無線通信中的應(yīng)用。

為了增加微帶縫隙天線的增益、帶寬、輻射角度等，眾多學(xué)者做出了努力。Das等[1]在單個貼片上蝕刻H型縫隙，獲得了較寬的帶寬和更為穩(wěn)定的輻射模式。Abutarboush等[2]在H型平面微帶貼片天線背面增加圓形貼片的辦法，進而達到與矩形接地平面縫隙耦合，最終實現(xiàn)阻抗匹配，并能工作在多個頻段。Ramli等[3]設(shè)計了一種孔徑耦合可重構(gòu)微帶層疊陣列天線。通過控制二極管開關(guān)的狀態(tài)實現(xiàn)底層饋電系統(tǒng)的改變，從而調(diào)整上層輻射天線的饋電位置，最終實現(xiàn)在多頻段、多方向工作的效果。邾志民等[4]利用蝶形微帶貼片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的矩形貼片，并在普通的矩形縫隙兩邊開槽形成H型縫隙，達到了增加帶寬的作用。趙勇[5]設(shè)計了一款交叉口徑耦合饋電的天線模型，此種饋電方式比較易于產(chǎn)生圓極化波，而且其阻抗匹配以及頻帶寬度等方面都可以獲得比較理想的結(jié)果，滿足小型化、寬頻帶以及增益等方面的需求。孫琪等[6]設(shè)計了一種減速透鏡天線，其輻射單元為微帶貼片天線，通過雙H型槽耦合饋電，采用不同的介質(zhì)材料對束散角進行不同程度的壓制，使得天線的增益進一步提高。馮理等[7]設(shè)計了一種口徑耦合的小型四單元短路貼片天線陣，采用短路面加載輻射貼片，使單元貼片天線長度縮小一半，實現(xiàn)了高增益、小型化和定向輻射。

上述研究成果在一定程度上從增益、帶寬、輻射角度、小型化4個方面提高了縫隙天線的性能，但整體天線性能還有提高的可能。本文利用特定陣列結(jié)構(gòu)及空氣間隙結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計了一款雙頻層疊H型縫隙微帶陣列天線。利用高頻電磁場仿真軟件（High Frequency Electromagnetic Field Simulation Software，HFSS）對天線的方向性、回波損耗、增益進行了仿真分析，結(jié)果表明，本天線在保證雙頻工作的基礎(chǔ)上具有更低的回波損耗和更好的方向特性。

1 天線設(shè)計

本文所設(shè)計的雙頻層疊H型縫隙微帶陣列天線結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。本天線采用錯位雙陣列八陣元結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)雙方向輻射的同時（左邊四單元貼片向左輻射，右邊四單元向右輻射），達到了更優(yōu)的阻抗匹配，使得天線的回波損耗減少了一半。天線整體結(jié)構(gòu)分為3層，上下兩層為RT-Rogers5880基板，中間為空氣層，頂層基板附貼著8個陣元貼片天線，下層基板的底面為天線的饋電層，頂面為H型縫隙耦合層，激勵在下層基板的側(cè)面，中間為了增加了一層空氣層以實現(xiàn)阻抗匹配。層疊結(jié)構(gòu)把作為輻射單元的無源貼片堆疊在天線頂部，具有高增益、寬帶寬的特點?？遵詈橡侂娂夹g(shù)可以用于減少輻射元件與饋電線之間的雜散輻射?？諝忾g隙結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)更優(yōu)的阻抗匹配，增加天線的增益[8]。采用兩組錯位的H型縫隙天線結(jié)構(gòu)（見圖2），使天線能夠同時在兩個方向上進行定向輻射。

天線工作時，下層饋電電路通過電磁能量耦合，將電磁波從饋電電路的末端輻射出去，透過H型縫隙傳入陣元貼片，最后將信號輻射出去。

2 天線單元參數(shù)

天線設(shè)計參數(shù)如圖3和圖4所示。長寬分別為Ls=270 mm，Ws=195 mm，頂部基板厚度為t1=1 mm，空氣層厚度t2=6 mm，底部基板厚度t3=0.787 mm，基板均采用roger-5880板。頂部輻射貼片采用八陣列矩形金屬貼片構(gòu)成，貼片長度L=30 mm，貼片寬度w=20 mm，貼片間的中心距離為d1=d2=88 mm。這樣的倒鏡像陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計可以在保證天線增益的前提下，讓天線同時向兩個方向輻射信號。

天線底部基板的上層為H型縫隙層，下層為饋電層。H型縫隙參數(shù)如圖5所示。饋電層的饋電結(jié)構(gòu)采用同相并饋功分網(wǎng)絡(luò)（見圖6），即采用多個將一端分成兩路的T形接頭，依次分為兩路，直到總分端數(shù)等于陣元數(shù)。因為單元天線在工作頻段內(nèi)的輸入阻抗變化在50 Ω附近，用分支為70.7 Ω的T型接頭可以保證陣元貼片與饋電線的阻抗匹配[7]。

3 仿真結(jié)果及分析

利用HFSS對本文天線模型進行仿真計算，得到了回波損耗數(shù)據(jù)（見圖7）。當天線的工作頻率為3.9 GHz時，回波損耗為-20.2 dB，帶寬為100 MHz，當天線的工作頻率為2.8 GHz時，回波損耗為-18.1 dB，帶寬為130 MHz，天線回波損耗已經(jīng)達到設(shè)計要求。本文天線和傳統(tǒng)四陣列天線（見圖8）的回波損耗圖（圖7和圖9）數(shù)據(jù)對比顯示，采用本文的設(shè)計后，天線的回波損耗在2.8 GHz時從-6.44 dB降低到了-18.12 dB，在3.8 GHz時從-10.27 dB降低到﹣20.24 dB。

本文天線和傳統(tǒng)四陣列天線的增益方向圖如圖10和圖11所示。對比結(jié)果顯示，本文天線在保證增益（增益值為12 dB）的前提下，增加了一個輻射方向（-30°和30°方向），實現(xiàn)了天線的雙角度定向輻射。

4 結(jié)語

本文所設(shè)計的雙頻層疊式H型縫隙陣列天線，可以工作在2.8 GHz和3.9 GHz兩個頻段。在天線的設(shè)計中融合了層疊結(jié)構(gòu)、H型縫隙結(jié)構(gòu)、錯位雙陣列八陣元結(jié)構(gòu)等設(shè)計理念，在滿足增益要求的前提下，實現(xiàn)了雙頻率、雙方向的輻射特性。仿真結(jié)果表明：天線在2.8 GHz和3.9 GHz兩個工作頻段增益為12.4 dB；中心頻率為3.9 GHz時，|S11|<-10 dB，帶寬為130 MHz；中心頻率為2.8 GHz時，|S11|<-10 dB，帶寬為100 MHz。

[參考文獻]

[1]DAS A，MOHANTY M N，MISHRA R K.Optimized design of H-slot antenna for bandwidth improvement[C].Bhubaneswar：IEEE Power，Communication and Information Technology Conference，2016：563-567.

[2]ABUTARBOUSH H F，AL-RAWESHIDY H S，NILAVALAN R.Bandwidth enhancement for microstrip patch antenna using stacked patch and slot[C].Shanghai：IEEE International Workshop on Antenna Technology，2009：1-4.

[3]RAMLI N，ALI M T，ISLAM M T，et al.Aperture-coupled frequency and patterns reconfigurable microstrip stacked array antenna[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation，2015（3）：1067-1074.

[4]邾志民，陳春紅，吳文，等.Ka波段寬帶H型縫隙耦合蝶形微帶貼片天線設(shè)計[J].微波學(xué)報，2015（S2）：68-71.

[5]趙勇.采用口徑耦合饋電的5.8GHz天線的設(shè)計[J].電子技術(shù)，2009（5）：15-17.

[6]孫琪，山崗，李榮.雙H形縫隙18GHz透鏡天線設(shè)計[J].電子科技，2014（8）：72.

[7]馮理，張權(quán)，李樹.2.4GHz四單元微帶貼片天線陣的設(shè)計與仿真[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報，2010（1）：5-8.

[8]SADAT S，JAVAN S D S，HOUSHMAND M.Design of a microstrip square-ring slot antenna filled by an H-shape slot for UWB applications[C].Massachusetts：IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium，2007：705-708.