一種雙頻定向毫米波天線設(shè)計(jì)

廖長(zhǎng)春

（電子科技大學(xué)物理學(xué)院，四川成都，610064）

0 引言

近年來(lái)隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)天線的要求和挑戰(zhàn)越來(lái)越高，低成本、寬頻帶、低剖面、高增益成為天線工程師急需解決的問(wèn)題。特別是上升到復(fù)雜的毫米波頻段，其急需解決的表面波以及電磁兼容問(wèn)題也變得日益突出。特征模分析作為一種近年來(lái)興起的模式分析方法，給我們的天線設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。有助于天線工程師理解它的輻射機(jī)理。特征模理論基于麥克斯韋方程的數(shù)值計(jì)算方法—矩量法進(jìn)行分析，將天線輻射方向圖的差異等價(jià)于輻射貼片上電流分布的差異，通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制，從而達(dá)到對(duì)方向提調(diào)控的目的。特征模理論表明對(duì)于不同的特征模式，其激勵(lì)的電流在貼片上呈駐波形式，通過(guò)選擇合適的激勵(lì)點(diǎn)可以激勵(lì)出不同模式，不同饋電位置，其激勵(lì)起來(lái)的不同特征模難度不同。而帶貼片天線以其優(yōu)異的性能表現(xiàn)以及較低的制作成本一直廣受天線設(shè)計(jì)者的青睞，其貼片上可以激勵(lì)多種不同的特征模式，可通過(guò)選擇不同的饋電點(diǎn)，調(diào)節(jié)天線的輸入駐波，通過(guò)尋找兩種模式電流分布的重疊部分，對(duì)電流分布重疊權(quán)重較大的區(qū)域進(jìn)行激勵(lì)，可以得到非常良好的雙頻特性。而在陣列天線設(shè)計(jì)中，目前單頻陣列研究相對(duì)成熟[1]，但是隨著陣列的深入研究，稀疏陣列[2]，雙頻陣列[3～4]逐漸進(jìn)入人們的視野。雙頻組陣有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，一方面占用空間較小，利于小型化集成化。另一方面在收發(fā)系統(tǒng)功能與性能的提升有很大的應(yīng)用潛力。本文提出一款雙頻陣列的陣元，其具有優(yōu)秀的頻帶和方向圖特性，增益在雙頻上的表現(xiàn)差異較小，其設(shè)計(jì)形狀選擇圓形，有利于降低相鄰陣元之間的互耦，進(jìn)一步拓展其掃描角度，另一方面，貼片的采用單層結(jié)構(gòu)，易于制造和安裝，具有比較好的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 特征模理論概述

特征模分析方法是近年來(lái)興起的一種分析方法，它是應(yīng)用較為廣泛的矩量法結(jié)合解析本征模理論求解電磁問(wèn)題的一類新方法。特征模理論由Garbacz博士1968年在他的博士論文中提出[5]，后經(jīng)過(guò)Harrington等科研工作者結(jié)合矩量法加以完善，是一套很成熟的計(jì)算電磁學(xué)領(lǐng)域的天線分析方法。近年來(lái)隨著計(jì)算電磁學(xué)和商業(yè)軟件的發(fā)展,CST寫出的一款本振模求解器可以很好地為天線設(shè)計(jì)人員提供指導(dǎo)。其物理概念清晰，可以清晰地展現(xiàn)貼片表面的電流分布，通過(guò)察看電流分布而確定其電流走向，從而得出其輻射方向圖。同時(shí)本振模是天線的固有輻射屬性，只與天線的固有形狀、頻率、尺寸有關(guān)，它為天線設(shè)計(jì)者提供了一種最佳的天線設(shè)計(jì)手段，有助于天線設(shè)計(jì)師了解天線的工作機(jī)理。利用分析得到的不同模式信息，掌握其諧振特性以及不同模式的輻射特性等，借助于不同模式特征電流的分布來(lái)選擇最佳的饋電位置以激發(fā)出需要的模式，也有助于指導(dǎo)設(shè)計(jì)師對(duì)天線進(jìn)行開槽來(lái)微調(diào)其諧振位置。

特征模理論是建立在矩量法（MoM）基礎(chǔ)之上的，其本征方程為：

式子中：λn為對(duì)應(yīng)特征電流的Jn的特征值。阻抗矩陣Z=R+jX,式子中的R與X均為電場(chǎng)積分方程阻抗的實(shí)部和虛部。

特征電流滿足正交性:

由公式得到，不同的電流流向會(huì)得到不同的輻射模式，其方向圖不同，且各種模式的輻射相互獨(dú)立，互不干擾，任何結(jié)構(gòu)的天線可以等效為不同的特征模式的疊加，只不過(guò)由于激勵(lì)位置的唯一性，其不同模式的疊加權(quán)重不同。

當(dāng)Pmn=1時(shí)，表示其為存在的模式，此時(shí)天線的儲(chǔ)能只與虛部λn有關(guān)，當(dāng)λn=0表示天線處于諧振狀態(tài)，此時(shí)天線處于高效率輻射模式。當(dāng)λn≤0時(shí)，表明天線此時(shí)主要儲(chǔ)存電能；當(dāng)λn≥0時(shí)，表明天線此時(shí)主要儲(chǔ)存磁能；據(jù)此，我們引入一個(gè)參數(shù)MS來(lái)表征特征模式激勵(lì)起來(lái)的難易程度，其定義如下：

當(dāng)MS≥0.7時(shí)，此時(shí)虛部?jī)?chǔ)能的能量小于實(shí)部輻射能量，此時(shí)具有很好的輻射性能，滿足條件的λn是對(duì)應(yīng)的頻帶帶寬；當(dāng)MS≤0.7時(shí)，表明該處很難激勵(lì)出該特征模式，設(shè)計(jì)時(shí)我們需要選擇合適的頻點(diǎn)和位置，于此同時(shí)，我們?yōu)榱双@得很好的方向圖，還需要注意特征模式的電流流向，若出現(xiàn)電流對(duì)稱分布區(qū)域時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響方向圖的定向性，一般設(shè)計(jì)定向天線時(shí)，我們應(yīng)該盡量避免出現(xiàn)這些模式的出現(xiàn)，為了獲取我們想要的方向圖，我們可以在貼片上合適的位置開槽，改變貼片的電流走向，從而改變?cè)心Ｊ降念l率特性，獲取想要的輻射方向圖。

2 天線的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其介質(zhì)基板選擇Rogers RT5880，整體尺寸為半徑為2.1mm的挖槽圓盤貼片，其下部分綠色部分為介質(zhì)基板，介質(zhì)版厚度為0.508mm。其輪廓如圖1所示，整個(gè)結(jié)構(gòu)以圓形貼片為為基礎(chǔ)，在其本振模的基礎(chǔ)上，引入新的輻射特性。

圖1 天線輻射貼片輪廓圖

依據(jù)天線的特征模式理論可得，任何貼片的天線輻射場(chǎng)均可用幾個(gè)特征電流的輻射模式進(jìn)行疊加，不同模式理解為貼片的基模。對(duì)于圓形貼片而言，其天線主模式為TE11模式，其電流分布圖2所示，該模式電流分布具有對(duì)稱性，豎直方向的電流分量由于對(duì)稱分布電流相位相差180°而抵消；水平方向的電流分布總體疊加向右，等效為一個(gè)水平向右的磁流源。該磁流源輻射的方向圖具有定向性，而兩側(cè)縫隙由于開的方向是水平方向，因此不改變電流水平方向的整體流向。貼片的中間縫隙由于阻斷了電流的流向，增加了電流的流向路徑，起調(diào)節(jié)主模式的頻率和阻抗匹配作用。高階混合模式輻射由貼片的TE12模式加上兩側(cè)的縫隙激勵(lì)形成的磁流源組成，對(duì)于圓形貼片天線而言，我們可以將天線等效為一個(gè)諧振腔，諧振腔由于邊界條件的電磁環(huán)境具有多諧性，因此其可以激勵(lì)出不同的諧振模式，但是由于高階模式必然存在傳輸零點(diǎn)，故其最終電流流向必然會(huì)出現(xiàn)電流反向的部分，而電流反向的部分必然引入輻射零點(diǎn)，出現(xiàn)上半空間出現(xiàn)輻射盲點(diǎn)，因此純貼片天線無(wú)法做到雙頻定向輻射效果，為了設(shè)計(jì)出一款雙頻微帶天線必然需要引入其他的輻射源去填補(bǔ)高次模式的輻射盲區(qū)。

圖2 TE11模式電流分布

據(jù)此我們通過(guò)在圓形貼片天線上合適的地方開縫隙，通過(guò)引入磁偶極子輻射源，以彌補(bǔ)高階模式在上半?yún)^(qū)域的輻射盲區(qū)的不足，此時(shí)新的模式等價(jià)于一個(gè)磁偶極子和貼片的高階模式共同作用輻射，其電流方向圖如圖3所示。

圖3 高次模式電流分布

貼片的高階模式組合，其中的磁偶極子輻射其拉升中間增益的目的，彌補(bǔ)高階模式貼片的中間增益跌落，無(wú)法實(shí)現(xiàn)整個(gè)上半空間的掃描的缺點(diǎn)。同時(shí)輻射貼片選擇圓形有利于拉升輻射貼片之間的間隔，有利于減少陣列單元之間的耦合，為雙頻毫米波陣列的陣元之間的解耦提供設(shè)計(jì)空間。

3 仿真結(jié)果與分析

通過(guò)以上的原理分析，為了得到最優(yōu)的輻射和阻抗匹配特性，對(duì)貼片尺寸進(jìn)行優(yōu)化處理。對(duì)其進(jìn)行阻抗匹配和頻率調(diào)整，優(yōu)化了縫隙的長(zhǎng)度寬度和饋電位置，通過(guò)分析得出其具體尺寸如表1所示。

表1 優(yōu)化后的各部分尺寸

其傳輸特性S參數(shù)隨頻率變化如圖4所示，從結(jié)果可以看出，該天線在24.07GHz～25.35GHz與41.75GHz～ 43.76GHz表現(xiàn)良好的S參數(shù)特性。該兩個(gè)頻點(diǎn)處于國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）規(guī)定的商用毫米波頻段之內(nèi)。

圖4 天線的傳輸特性圖

在兩個(gè)諧振頻點(diǎn)內(nèi)，其各自的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖如圖5與圖6所示。圖5顯示了該貼片天線在低頻24.71GHz的頻率處的輻射特性，其增益為6.16dbi，方向圖為標(biāo)準(zhǔn)的主模式輻射，具有很好的定向和組陣所要求特性。圖6顯示了該貼片天線在高頻42.76GHz處的輻射方向圖，其增益為7.16GHz。

圖5

圖6

結(jié)果表明該天線在24.07GHz～25.35GHz與41.75GHz～ 43.76GHz頻段內(nèi)表現(xiàn)良好的輻射特性，非常適合陣列天線設(shè)計(jì)，在低頻點(diǎn)輻射方向圖為標(biāo)準(zhǔn)的本振模式，高頻點(diǎn)由于饋電位置的特殊性，導(dǎo)致電流分布不完全對(duì)稱，出了小角度的偏移，該模式為貼片天線的一個(gè)高次模與磁偶極子共同疊加輻射的結(jié)果。其方向圖與主模方向圖非常非常相似，該貼片天線兩個(gè)模式的方向圖輪廓非常想同，非常適合毫米波頻段的雙頻組陣。

4 結(jié)論

本文基于貼片天線的本振模式，依據(jù)貼片天線的不同電流分布其輻射的方向圖之間存在差異，創(chuàng)造性地提出了將偶極子輻射與貼片的高階模式相結(jié)合，彌補(bǔ)貼片天線的高階模式輻射方向圖的缺陷，設(shè)計(jì)了一款雙頻毫米波定向天線。利用同軸饋電進(jìn)行激勵(lì)，其方向圖具有非常好的定向特性，適合進(jìn)行大規(guī)模陣列設(shè)計(jì)。天線在24.07GHz～25.35GHz與41.75GHz～43.76GHz頻段內(nèi)能實(shí)現(xiàn)很好的阻抗匹配，天線的仿真增益在低頻段內(nèi)大于6dbi，在高頻段內(nèi)大于7dbi。與其他雙頻天線設(shè)計(jì)相比，由于其只需要在貼片天線上開一條縫隙，其制造成本更低，更利于小型化集成設(shè)計(jì)。