小型化雙頻微帶陣列天線設(shè)計(jì)

楊晉乾，曹力恒， 周闖，王旭光

(湖北大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430062)

0 引言

微帶天線具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)靈活、設(shè)計(jì)和制造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信、遙感、導(dǎo)航、雷達(dá)等系統(tǒng)中.隨著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)雙頻天線的需求越來(lái)越多.

為了實(shí)現(xiàn)微帶天線的雙頻工作，最直接的方法是將2個(gè)具有不同諧振頻率的輻射貼片置于同一個(gè)介質(zhì)基板上，這種設(shè)計(jì)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但將增大天線的尺寸[1]；也可采用重疊輻射貼片或加載寄生貼片構(gòu)成疊層結(jié)構(gòu)的形式設(shè)計(jì)雙頻天線[2-4]，然而使天線的厚度大幅度增加，難以滿足現(xiàn)今通信系統(tǒng)中對(duì)天線低剖面、小型化的要求；通過(guò)設(shè)計(jì)合適的饋電網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)激勵(lì)微帶貼片天線的基模和高次模也可以實(shí)現(xiàn)雙頻工作[5-6]，但這種方式增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性；此外，還可以通過(guò)對(duì)輻射貼片開(kāi)槽或加載的方式[7-9]，使天線的表面電流重新分布，或者利用具有自相似性的分形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輻射貼片[10-11]，進(jìn)而得到多個(gè)工作頻帶.

但是微帶天線也存在帶寬窄、增益低、方向性差等問(wèn)題，將多個(gè)微帶輻射單元按一定規(guī)律排列構(gòu)成陣列天線可以克服這些缺點(diǎn)[12].由于各輻射單元的位置和饋電電流的振幅和相位均可以獨(dú)立調(diào)整，使陣列天線可獲得更高的增益和更好的輻射方向性，并具有單天線難以實(shí)現(xiàn)的其它各種功能，例如波束掃描、波束賦形等.

本文中提出一種1×4四元微帶陣列天線，采用偏心側(cè)饋的開(kāi)槽微帶貼片作為輻射單元，設(shè)計(jì)一分四等分功率分配器作為饋電網(wǎng)絡(luò)，可在2.3 GHz和2.6 GHz頻段產(chǎn)生2個(gè)工作頻帶，在保持天線小型化的同時(shí)盡可能提高其工作性能，如提高增益、增強(qiáng)方向性等.本文中對(duì)微帶輻射貼片的工作原理和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析與探討，并利用三維電磁仿真軟件HFSS(High Frequency Structure Simulator)對(duì)所提出的陣列天線的性能進(jìn)行驗(yàn)證.

1 天線單元設(shè)計(jì)與優(yōu)化

1.1 微帶天線單元結(jié)構(gòu)微帶天線也稱為貼片天線，通常由基板上具有一定形狀的金屬貼片和另一側(cè)的接地平面組成，常用的貼片的形狀包括矩形、方形、圓形、三角形和環(huán)形等.天線的饋電方式包含孔徑耦合、微帶線側(cè)面饋電和同軸探針?lè)聪蝠侂姷?微帶天線陣列的設(shè)計(jì)首先需要設(shè)計(jì)合適的單元結(jié)構(gòu).

圖1 微帶天線單元結(jié)構(gòu)圖

本文中的微帶天線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，輻射貼片位于單層FR4介質(zhì)基板的上表面，其介電常數(shù)εr=4.4，厚度h=1.6 mm，介質(zhì)基板的下表面為接地板.

微帶貼片上開(kāi)有一個(gè)寬度為W1的倒L形槽，其與貼片上邊緣和左邊緣的距離分別為d1和d2，沿圖中x軸方向與y軸方向的長(zhǎng)度分別為S1和S2.貼片上開(kāi)槽可使貼片表面電流路徑變長(zhǎng),相當(dāng)于在天線的等效電路中引入級(jí)聯(lián)電感,使諧振頻率降低,從而減小天線尺寸，同時(shí)可利用開(kāi)槽的長(zhǎng)度對(duì)貼片的2個(gè)諧振頻率進(jìn)行微調(diào).

饋電方式采用微帶線偏心饋電以激勵(lì)2個(gè)諧振模式，饋點(diǎn)位于貼片左側(cè)，饋線寬度為W2.微帶貼片上緊靠饋線的位置開(kāi)有一個(gè)長(zhǎng)度為d3，寬度為W3的矩形細(xì)縫，以調(diào)節(jié)貼片的阻抗，實(shí)現(xiàn)更好的阻抗匹配.

矩形貼片的初始尺寸可根據(jù)所設(shè)計(jì)的工作頻率2.3 GHz和2.6 GHz，由(1)式和(2)式進(jìn)行計(jì)算[13]

(1)

(2)

其中，W為天線貼片的寬度，L為考慮邊緣縮短效應(yīng)后天線貼片的長(zhǎng)度，fr為工作頻率(取2個(gè)頻帶的中心)，μ0、ε0分別為自由空間的磁導(dǎo)率與介電常數(shù)，εr為介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)，c為光速，εreff為介質(zhì)基板的有效介電常數(shù)，ΔL為等效輻射縫隙長(zhǎng)度，εreff和ΔL可由(3)式和(4)式計(jì)算[13]

(3)

(4)

其中，h為介質(zhì)基板的厚度.

1.2 參數(shù)分析與優(yōu)化輻射單元的尺寸決定天線的諧振頻率，偏心饋電方式可在單一貼片上同時(shí)激勵(lì)出2個(gè)諧振模式.同時(shí)，開(kāi)槽也是實(shí)現(xiàn)天線雙頻工作并能保證一定的帶寬和增益的主要技術(shù)方法.

為了進(jìn)一步研究該天線單元的工作原理，獲得較好的性能，對(duì)其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，圖2給出各參數(shù)變化時(shí)對(duì)天線單元回波損耗影響的仿真結(jié)果.由圖2(a)可知，貼片長(zhǎng)度L的變化主要影響低頻段的諧振頻率，L越大，諧振頻率越??；貼片的寬度W則主要影響高頻段的諧振頻率，W越大，諧振頻率越小.

圖2(b)所示為貼片上所開(kāi)的倒L形槽x和y2個(gè)方向上的長(zhǎng)度S1與S2對(duì)諧振頻率的影響.其中，S1的變化對(duì)高頻段的諧振頻率影響顯著，而對(duì)低頻段幾乎沒(méi)有影響.隨著S1的增大，高頻段的諧振頻率向左偏移.S2增大則使低頻段的諧振頻率向左偏移，而高頻段的諧振頻率基本保持不變.但是相比L和W對(duì)諧振頻率的影響程度，開(kāi)槽的影響較弱，因此可將這種調(diào)節(jié)視為微調(diào)，用于增加天線設(shè)計(jì)的自由度.

圖2 微帶貼片單元參數(shù)變化對(duì)天線回波損耗影響的仿真結(jié)果

綜合以上分析可知，本文中所設(shè)計(jì)的微帶天線單元的2個(gè)工作頻率是獨(dú)立可控的，可通過(guò)調(diào)節(jié)貼片的長(zhǎng)度L和寬度W分別對(duì)低頻段和高頻段的中心頻率進(jìn)行粗調(diào)，然后利用所開(kāi)的倒L形槽的長(zhǎng)度S1和S2對(duì)其進(jìn)行微調(diào)，從而獲得最佳的阻抗匹配特性和反射系數(shù)性能.

通過(guò)優(yōu)化貼片尺寸，可以滿足所要求的中心頻率與帶寬的技術(shù)指標(biāo)，并獲得較理想的阻抗匹配特性，優(yōu)化后的天線單元結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

表1 微帶天線單元經(jīng)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

微帶天線單元HFSS仿真的三維方向圖如圖3所示.仿真結(jié)果表明，此微帶天線單元可以同時(shí)工作在2.3 GHz和2.6 GHz 2個(gè)頻段，最大輻射增益分別為2.9 dB和3.9 dB，且呈現(xiàn)全向輻射特性，適合作為陣元構(gòu)造微帶陣列天線.

圖3 HFSS仿真得到的微帶天線單元三維方向圖

2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

天線單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化完成之后，下一步設(shè)計(jì)天線的微帶線饋電網(wǎng)絡(luò)，將4個(gè)陣元組成一個(gè)單饋1×4微帶陣列天線.通常天線單元可以采用串聯(lián)饋電與并聯(lián)饋電2種形式[13]，其中串聯(lián)饋電雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是各個(gè)天線單元之間容易相互影響，而且各饋電單元的電流相位會(huì)有所差別.因此，本文中采用并聯(lián)饋電的形式，設(shè)計(jì)一分四等分功率分配器，同時(shí)利用四分之一波長(zhǎng)阻抗變換原理實(shí)現(xiàn)阻抗匹配.

微帶饋電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，由3個(gè)一分二等分T型功率分配器構(gòu)成，為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可將天線端口的輸入功率均勻分配給4個(gè)輻射單元，同時(shí)保證輸入到每個(gè)微帶天線單元的信號(hào)幅度和相位均相等.本設(shè)計(jì)中，50 Ω、70 Ω和100 Ω微帶線的寬度分別為2.98 mm、1.64 mm和0.7 mm.

微帶饋電網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)仿真結(jié)果如圖4(b)所示，在2個(gè)通帶的中心頻率2.3 GHz和2.6 GHz處的回波損耗分別為-21.2 dB和-17.1 dB，插入損耗分別為-7.5 dB和-7.6 dB，4個(gè)輸出端口的幅度一致性良好.

圖4 微帶饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及其S參數(shù)仿真結(jié)果

3 四元天線陣列設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.1 微帶陣列天線的結(jié)構(gòu)利用上述設(shè)計(jì)的微帶饋電網(wǎng)絡(luò)將等間距分布在同一直線上的4個(gè)結(jié)構(gòu)相同的天線單元連接，即構(gòu)成中心饋電的1 × 4均勻直線天線陣列，其結(jié)構(gòu)如圖5所示.為減弱陣元間的互耦效應(yīng)，避免柵瓣以及保證陣元之間相位相同，陣元的間距一般設(shè)計(jì)為0.6 ～ 0.8波長(zhǎng).通過(guò)HFSS仿真優(yōu)化陣元間距和四分之一波長(zhǎng)阻抗變換段的長(zhǎng)度，可改善陣列天線的輻射特性與端口阻抗匹配效果，最終滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求.

圖5 1×4四元微帶陣列天線

3.2 微帶陣列天線仿真結(jié)果利用電磁仿真軟件HFSS對(duì)圖5所示的陣列天線進(jìn)行仿真優(yōu)化，得到天線的回波損耗如圖6所示.在陣列天線中心頻率2.3 GHz和2.6 GHz處，回波損耗分別為-39 dB和-26 dB，阻抗匹配特性良好.可見(jiàn)，相比天線單元，微帶陣列天線的回波損耗有較大改善.2個(gè)工作頻帶的-10 dB阻抗帶寬分別為2.27 ～ 2.33 GHz和2.55 ～ 2.63 GHz，對(duì)應(yīng)的相對(duì)帶寬分別為2.61%和3.09%，能夠滿足TDD (time division duplex)頻段的覆蓋要求.

圖6 微帶天線陣列回波損耗

微帶陣列天線的輻射方向圖如圖7所示.仿真結(jié)果表明，該天線在2個(gè)工作頻帶內(nèi)都有較好的輻射強(qiáng)度和指向性，在2.3 GHz和2.6 GHz時(shí)，其E面和H面的最大輻射增益都在0°處取得，最大值分別為6.17 dB和7.48 dB.

圖7 1×4微帶陣列天線的輻射方向圖

圖8為1 × 4微帶陣列天線2個(gè)工作頻帶的三維輻射方向圖.與前述微帶天線單元的三維輻射方向圖(圖3)相對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)隨著陣列單元數(shù)目的增加，陣列天線在0°方向上的輻射顯著增強(qiáng)，在其他方向上的輻射有所減弱，同時(shí)主瓣寬度變窄，在某些特定方向上出現(xiàn)副瓣，這與陣列天線波瓣寬度和陣列長(zhǎng)度成反比的理論吻合.除此之外，仿真結(jié)果顯示微帶陣列天線方向圖并不完全關(guān)于主瓣最大值對(duì)稱，這是微帶饋線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和偏心饋電的饋電方式產(chǎn)生的附加影響.

圖8 1×4微帶陣列天線的三維方向圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文中設(shè)計(jì)一種小型化1 × 4直線均勻排列型微帶陣列天線，能夠同時(shí)工作在2.3 GHz和2.6 GHz頻段.微帶天線輻射貼片單元采用偏心饋電的方式，貼片上開(kāi)有一個(gè)倒L形槽和一個(gè)矩形槽，由此產(chǎn)生2個(gè)諧振頻率.微帶饋電網(wǎng)絡(luò)采用一分四等分功率分配器，使四個(gè)天線單元的激勵(lì)振幅和相位均相同，同時(shí)保證端口阻抗匹配良好.將天線單元與饋電網(wǎng)絡(luò)組合后，微帶陣列天線在兩個(gè)工作頻帶內(nèi)均有較為理想的輻射增益，在低頻段2.3 GHz處的最大增益為6.17 dB，相對(duì)帶寬為2.61%，在高頻段2.6 GHz處的最大增益為7.48 dB，相對(duì)帶寬為3.09%.本文中提出的微帶陣列天線設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，輻射性能較好，可用于多種無(wú)線通信應(yīng)用.