一種新型橋式復(fù)合結(jié)構(gòu)的高增益寬波束微帶天線*

孫雨婷，徐永佳，郭慶功

（四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064）

0 引言

近年來(lái)，高增益寬波束全向天線陣列被廣泛應(yīng)用于機(jī)載、車(chē)載等高速移動(dòng)通信系統(tǒng)及雷達(dá)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)。使用微帶天線作為其信號(hào)收發(fā)的載體，有利于系統(tǒng)的小型化、集成化，而其陣子單元?jiǎng)t須具有增益高、E 面和H 面波束均衡、尺寸小的特性。

微帶天線常使用貫穿銷(xiāo)釘、復(fù)合介質(zhì)板、增加腔體結(jié)構(gòu)等方法實(shí)現(xiàn)高增益和寬波束[1-4]。文獻(xiàn)[1]采用了貫穿銷(xiāo)釘連通貼片與接地面的方式，設(shè)計(jì)了一個(gè)工作于E 波段的天線。在工作頻段內(nèi)，天線增益為5.5 dBi，具有86°×86°的均衡3 dB 波寬，尺寸為1.5λ0×1.5λ0×0.28λ0。文獻(xiàn)[2]提出了一款工作于X 波段（點(diǎn)頻）的線極化微帶天線，使用復(fù)合介質(zhì)板的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)高增益和寬波束。天線在工作頻點(diǎn)的增益為7 dBi，3 dB 波寬為88°×64°，尺寸為1.67λ0×1.67λ0×0.07λ0。

用上述手段提高增益、展寬波瓣，通常會(huì)使天線尺寸過(guò)大。近年來(lái)，有學(xué)者提出了增加寄生貼片、開(kāi)漸變縫隙等方法以進(jìn)一步縮減尺寸[5-11]。文獻(xiàn)[5]提出了一款工作于Ka 波段的線極化微帶天線，通過(guò)增加環(huán)形寄生貼片的方法來(lái)展寬波瓣，并使用設(shè)計(jì)的單元組成了8 元線陣，其單元的3 dB 波寬為159°×74°，單元尺寸為0.74λ0×0.74λ0×0.13λ0；文獻(xiàn)[6]亦采用了增加寄生貼片的方法，設(shè)計(jì)了一種工作于Ka 波段的微帶天線，并組成了8 元線陣。天線單元的駐波帶寬為2.9%，E 面波寬為164°，尺寸為0.72λ0×0.72λ0×0.13λ0。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一款由微帶準(zhǔn)八木天線組成，工作于S 波段的二元陣列，其3 dB 波寬為30°×120°。以上3 款天線都達(dá)到了縮減尺寸的效果，但其E 面和H 面波寬對(duì)稱(chēng)性較差，且其單元增益只有5 dBi 左右，不利于應(yīng)用在寬俯仰面的高增益垂直極化全向陣列中。

本文運(yùn)用橋式復(fù)合介質(zhì)板結(jié)構(gòu)的方法，設(shè)計(jì)了一款高增益、寬波束、小型化微帶天線，其3 dB波寬為80°×90°，波束均衡度好，便于應(yīng)用在寬俯仰面的垂直極化全向陣列中，且天線單元尺寸僅為0.45λ0×0.45λ0×0.07λ0，有利于陣列尺寸的縮減。

1 天線設(shè)計(jì)與仿真

傳統(tǒng)的微帶天線只有5～7 dBi 的增益，以及60°～90°的3 dB 波寬。對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這樣的增益和波寬無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。具有余弦均勻分布的平面矩形孔徑的方向性D可以估計(jì)為：

天線的口徑效率εap定義為：

其中G是增益，Ap是天線的物理口徑?？芍?dāng)天線的半波束寬度一定時(shí)，天線的方向性是一定的。要在波束寬度確定的情況下提高天線增益，可以設(shè)法提高天線的口徑效率，而傳統(tǒng)微帶天線的口徑效率只有40%～60%，還有一定的提升空間。

文獻(xiàn)[2]采用了復(fù)合介質(zhì)板結(jié)構(gòu)來(lái)提高輻射效率，但由于其沿天線H 面介質(zhì)板不對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)致貼片有效輻射面積較低，影響了輻射效率。為了保證方向圖的對(duì)稱(chēng)性，提高天線的有效輻射面積，便于調(diào)節(jié)天線的電氣性能，本文設(shè)計(jì)了一種橋式復(fù)合介質(zhì)板的結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。最上層是厚度為1 mm 的金屬貼片；中間層兩邊是介電常數(shù)為εr的介質(zhì)材料，中心為空氣，組成橋式復(fù)合介質(zhì)板結(jié)構(gòu)；最下層由F4B 基板和腐銅接地面構(gòu)成，采用探針饋電，在地板下方接入SMA 接頭。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

由于高介電常數(shù)的材料損耗較大，不利于提高天線的輻射效率。而普通低介電常數(shù)基板的厚度通常是確定的，不利于橋式復(fù)合介質(zhì)板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。因此，選擇了PTFE 作為介質(zhì)材料。為了探究橋式復(fù)合介質(zhì)板結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，分析了地板寬度D、空氣層寬度S和層高H天線性能的影響。如圖2 所示，隨著D的增加，天線工作頻率向低頻移動(dòng)，天線E面波寬先升高后降低，H面波寬升高；隨著S的增加，天線工作頻率向高頻移動(dòng)，天線E 面波寬先升高后降低，H 面波寬降低；隨著H的增加，天線工作頻率向低頻移動(dòng)，天線E 面波寬降低，H 面波寬升高。

圖2 變量D、S、H 的分析結(jié)果

綜合分析結(jié)果，確定天線的最終尺寸如表1所示。從仿真結(jié)果可以看到，天線的工作頻段為2.37～2.53 GHz（6.5%），增益為7.1 dBi，3 dB 波寬為80°×92°。天線參數(shù)變化時(shí)，天線駐波和輻射性能變化較小，魯棒性好。另外，此天線還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工的特點(diǎn)。

表1 天線尺寸/mm

對(duì)稱(chēng)的介質(zhì)結(jié)構(gòu)可使天線的表面電流分布更加均勻，提高有效輻射面積，在矩形貼片的寬邊饋電，使得天線得以展寬E 面波束，達(dá)到E 面和H 面波束平衡的效果，有利于后續(xù)組陣應(yīng)用。圖3 給出了文獻(xiàn)[2]中天線和本文所設(shè)計(jì)天線的貼片表面電流?？梢钥吹?，本文所設(shè)計(jì)天線的有效輻射面積有了明顯提升。

圖3 貼片表面電流仿真對(duì)比分析

2 測(cè)試結(jié)果分析

圖4 和圖5 分別給出了天線加工后的實(shí)物圖和實(shí)測(cè)結(jié)果。

圖4 天線實(shí)物

圖5 天線實(shí)測(cè)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，天線在2.36～2.56 GHz（8.1%）的頻段內(nèi)駐波小于2，比仿真結(jié)果多出了1.6%的帶寬，是由于加工時(shí)每層結(jié)構(gòu)間存在微小縫隙導(dǎo)致層高增大造成的。增益大于7 dBi，3 dB 波寬為80°×90°，實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果吻合度良好。據(jù)式（2）可計(jì)算本文所設(shè)計(jì)天線的口徑效率為87.5%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)微帶天線的口徑效率，與上一節(jié)輻射面積增加的仿真結(jié)果相吻合，因而能在不影響波束寬度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益，達(dá)到在同樣增益下波束更寬的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

采用橋式復(fù)合介質(zhì)板結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款高增益寬波束天線。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，天線在2.36～2.56 GHz（8.1%）的工作頻帶內(nèi)駐波小于2，增益大于7 dBi，3 dB 波寬達(dá)80°×90°，且尺寸僅0.45λ0×0.45λ0×0.07λ0。天線的口徑效率高達(dá)87.5%，實(shí)現(xiàn)了在同樣增益下波束更寬的效果，且天線E 面和H 面波束均衡，可作為高速移動(dòng)通信系統(tǒng)中的垂直極化高增益全向陣列的陣子單元。