基于多種饋電方式的毫米波微帶天線對(duì)比研究*

譚宗胤，李平輝

（陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210007）

0 引言

近年來，隨著各類智能終端設(shè)備的普及，高速率數(shù)據(jù)傳輸和寬頻帶通信的需求與日俱增。面對(duì)低頻段頻譜資源稀缺問題，毫米波憑借其帶寬資源豐富、兼具微波與遠(yuǎn)紅外波特性等優(yōu)點(diǎn)，得到了人們的廣泛關(guān)注。該頻段大量未開發(fā)的頻譜資源將極大地滿足第5 代移動(dòng)通信的需求。此外，作為無線通信的重要組成部分，天線的性能將直接影響通信的整體質(zhì)量。基于它成本低、加工方便且易于集成等優(yōu)點(diǎn)，微帶天線備受青睞[1-2]。

微帶天線有3 種常用的饋電方式[3-4]：微帶線饋電、同軸饋電和耦合饋電。不同饋電方式的選取對(duì)微帶天線的性能將產(chǎn)生不同的影響。針對(duì)不同饋電方式造成的性能差異，本文以毫米波微帶貼片天線為研究對(duì)象，對(duì)比分析了嵌入饋線饋電[5-6]、同軸饋電、耦合饋電[7-11]以及探針耦合饋電4 種饋電方式對(duì)天線各項(xiàng)性能的影響。

1 矩形微帶貼片天線模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)矩形微帶天線設(shè)計(jì)公式[5]，確定工作在28 GHz 的矩形微帶貼片天線的貼片尺寸為寬W=4.24 mm、長L=3.47 mm。該微帶天線的襯底材料為Rogers RT/duroid 5880，介電常數(shù)εr=2.2，損耗正切tanδ=0.000 9，襯底尺寸為W0×L0＝15 mm×15 mm，襯底厚度為0.254 mm。嵌入饋線饋電和同軸饋電天線采用單層襯底，耦合饋電、探針耦合饋電天線貼片印制在每層厚度相同的雙層襯底上。

1.1 嵌入饋線饋電方式

圖1 給出了嵌入饋線饋電微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)。該天線直接利用與貼片位于同一平面上的微帶線進(jìn)行饋電，微帶饋線寬度Wf為0.73 mm，饋線與貼片相接處嵌入貼片內(nèi)部，與貼片邊緣距離為Y0，具體尺寸如表1 所示。

圖1 嵌入饋線饋電微帶貼片天線俯視圖

表1 嵌入饋線饋電微帶貼片天線優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸

1.2 同軸饋電方式

該天線采用傳統(tǒng)的同軸饋電方式，圖2 給出了其結(jié)構(gòu)示意圖，Wf為饋電點(diǎn)與貼片上邊緣的距離，具體尺寸見表2。

圖2 同軸饋電微帶貼片天線俯視圖

表2 同軸饋電微帶貼片天線優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸

1.3 耦合饋電方式

采用微帶耦合饋電的天線結(jié)構(gòu)如圖3 所示，采用雙層襯底且兩層厚度相同，均為0.254 mm。矩形貼片位于上層基板上方，微帶饋線位于上層襯底和下層襯底之間，地板位于下層襯底下方。為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，在微帶饋線上插入了一個(gè)小矩形調(diào)諧結(jié)構(gòu)。微帶饋線與貼片和地板均不接觸。耦合饋電微帶貼片天線優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸如表3 所示。

圖3 耦合饋電微帶貼片天線

表3 耦合饋電微帶貼片天線優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸

1.4 探針耦合饋電方式

圖4 展示了采用探針耦合饋電的微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)示意圖。該天線在上述采用耦合饋電方式的基礎(chǔ)上，在微帶饋線末端插入金屬探針，與貼片接觸。探針耦合饋電微帶貼片天線優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，如表4 所示。

圖4 探針耦合饋電微帶貼片天線

表4 探針耦合饋電微帶貼片天線優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸

2 仿真結(jié)果對(duì)比

對(duì)于初始同尺寸的微帶貼片天線，當(dāng)采用嵌入饋線饋電、同軸饋電、耦合饋電以及探針耦合饋電方式時(shí)，其諧振頻率分別為28 GHz、30.4 GHz、26.31 GHz 以及28.8 GHz，如圖5 所示。使用HFSS 進(jìn)行仿真，優(yōu)化天線尺寸，調(diào)整諧振頻率為28 GHz。天線輸入阻抗主要受饋線嵌入貼片的長度Y0和貼片寬度W影響。隨著Y0增大，諧振頻率減小，如圖6 所示；圖7～圖9 顯示隨著W增大，諧振頻率減小。

圖5 貼片初始尺寸S11 對(duì)比

圖6 嵌入饋線饋電天線諧振頻率隨Y0 變化

圖7 同軸饋電天線諧振頻率隨W 變化

圖8 耦合饋電天線諧振頻率隨W 變化

圖9 探針耦合饋電天線諧振頻率隨W 變化圖

2.1 反射系數(shù)（S11）

經(jīng)過結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，當(dāng)諧振頻率為28 GHz 時(shí)，嵌入饋線饋電天線中Y0=1.24 mm，S11值為-25.05 dB，-10 dB 阻抗帶寬為600 MHz，從27.72 GHz到28.32 GHz；同軸饋電天線W=2.95 mm、L=4 mm，S11值為-11.79 dB，-10 dB阻抗帶寬27.8～28.25 GHz，絕對(duì)帶寬450 MHz；耦合饋電微帶貼片天線W=7.068 mm，S11值為-39.98 dB，-10 dB 阻抗帶寬為1.42 GHz，從27.25 GHz 到28.67 GHz；探針耦合饋電微帶貼片天線W=5 mm，S11值為-16.47 dB，-10 dB 阻抗帶寬27.27～28.79 GHz，絕對(duì)帶寬1.52 GHz，如圖10 所示。

圖10 4 種饋電方式S11 對(duì)比

2.2 輻射方向圖

天線在28 GHz 處的E 面方向圖和H 面方向圖對(duì)比如圖11 和圖12 所示。分別采用嵌入饋線饋電、同軸饋電、耦合饋電以及探針耦合饋電方式的天線方向圖增益分別為8.68 dBi、8.17 dBi、7.56 dBi、8.39 dBi。可見，4種饋電方式的方向圖增益相差不大。圖13 和圖14 顯示了交叉極化方向圖對(duì)比，采用4 種饋電方式的E 面最大交叉極化電平均小于-40 dB，H 面最大交叉極化電平均小于-27 dB，其中耦合饋電方式由于雙層介質(zhì)邊緣效應(yīng)以及微帶饋線與輻射貼片之間存在的寄生耦合，導(dǎo)致交叉極化水平較高。

綜上所述，表5 總結(jié)了4 種饋電方式對(duì)天線各項(xiàng)性能的影響對(duì)比。

圖11 E 面方向圖對(duì)比

圖12 H 面方向圖對(duì)比

圖13 E 面交叉極化方向圖對(duì)比

圖14 H 面交叉極化方向圖對(duì)比

表5 仿真結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)語

本文對(duì)比研究了采用嵌入饋線饋電、同軸饋電、耦合饋電和探針耦合饋電4 種饋電方式對(duì)微帶貼片天線性能的影響。采用嵌入饋線饋電和同軸饋電天線帶寬較窄，采用耦合饋電和探針耦合饋電方式天線帶寬較寬，但增益與其他兩種方式差距不大。通過對(duì)比，采用嵌入饋線饋電和耦合饋電微帶貼片天線綜合性能更好。為了更好地應(yīng)用于通信系統(tǒng)，采用嵌入饋線饋電的貼片天線阻抗帶寬有待進(jìn)一步提高，采用耦合饋電的貼片天線增益有待進(jìn)一步提高。此外，設(shè)計(jì)優(yōu)化各種饋電網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)天線高性能的方法還有待進(jìn)一步研究。