新型雙極化桌形天線陣設(shè)計

孔德珍，陳 星

（四川大學電子信息學院，成都 610065）

0 引言

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，微帶天線因剖面低、體積小、重量輕的優(yōu)勢廣受好評，但微帶天線阻抗帶寬較窄，主輻射方向半功率波瓣寬度較寬和方向性較差。2017年香港中文大學的研究者設(shè)計的一款新型圓極化桌形（circularly polar?ized table-like air patch，CP-TAP）天線，與傳統(tǒng)的圓極化空氣貼片天線相比，所提出的圓極化桌形天線提供了超過1 dB的增益，該天線采用兩種饋電結(jié)構(gòu)，在2.45 GHz的單探針饋電模型中，所提出的CP-TAP天線的阻抗帶寬（11＜-10 dB）為7%，軸比為3 dB時帶寬為1.6%；采用雙n形探針饋電模型，所提出的CP-TAP天線的阻抗帶寬（S11＜-10 dB）可達25%。相較于相同頻率下的微帶天線，桌形天線結(jié)構(gòu)更加簡潔，增益更高，易實現(xiàn)多極化，以空氣為介質(zhì)，具有可自支撐特點，降低了加工和組陣的難度。

本文以此新型圓極化桌形天線為基礎(chǔ)，設(shè)計了工作于5.8 GHz的高增益正交雙線極化的桌形天線并實現(xiàn)組陣，以2×2陣列為例，在饋電網(wǎng)絡(luò)中采用反相饋電技術(shù)，以改善端口之間的隔離度和交叉極化比。通過在桌形天線四邊加載三角輻射片增加表面電流路徑，相比于沒有加載寄生輻射片的桌形天線，進一步提高了天線增益和口徑效率。

1 天線結(jié)構(gòu)

圖1為雙極化桌形天線單元結(jié)構(gòu)。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

該桌形天線（table_like antenna）基本單元包括兩個部分，以主輻射桌形面為饋電單元，利用兩個正交位置的同軸探針與主輻射桌形天線直接接觸進行饋電，頂部主輻射面的四個角落有四個內(nèi)置的接地腿，形成半開放的諧振器；頂部主輻射面與四根接地腿集成一體，形成自支撐結(jié)構(gòu)。

為滿足天線高增益高口徑效率特性的設(shè)計需要，在主輻射片上下左右四邊分別有一個三角形作為寄生單元，金屬柱和尼龍柱為支撐，以此增加電流表面流動路徑。為提高端口隔離度，采用表面開槽，并在天線的幾何中心位置加入一根銷釘以抑制高階模，進一步優(yōu)化了端口隔離度和主輻射方向的交叉極化電平，中心黃色為主輻射片，周圍綠色為加載輻射片，均為銅片，地板為鋁板。

利用50Ω的同軸線進行饋電，以高增益和高口徑效率采用電磁仿真軟件對天線結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，其優(yōu)化后的尺寸見表1。

表1 天線主要結(jié)構(gòu)參數(shù)/mm

2 天線設(shè)計原理及參數(shù)分析

2.1 天線設(shè)計原理

采用以空氣為介質(zhì)的微帶天線作為主輻射單元，以四個角落的四個內(nèi)置的接地腿支撐，矩形貼片天線大小為×其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的微帶傳輸線類似，可以看做兩端開路，一般長度對應(yīng)波長的1/2，即

式中：對應(yīng)自有空間中的波長。ε為相對介電常數(shù)，根據(jù)式（1）設(shè)置貼片天線的大小，得出≈25.86 mm。提出的桌形天線主輻射貼片為方形貼片，經(jīng)優(yōu)化取得邊長為31 mm。采用加載寄生貼片增加電流流動路徑，提升增益和口徑效率。

用CST軟件對該桌形天線基本單元在不加激勵的情況下進行特征模分析，圖2（e）為對應(yīng)模型的所有特征模式的前四個模式，（a）、（b）為對應(yīng)主模式的表面電流和遠場輻射方向圖。從圖2（e）可以看出，J1和J2是諧振頻率約為5.8 GHz時的一對模式。從圖2（a）可以看出J1在整個貼片上是同相的，且朝著X方向極化。圖2（b）可以看出J2和J1是同相的但有一個90°的旋轉(zhuǎn)，即J2在整個貼片是同相且朝著Y方向極化。但在主輻射桌面的四個角落處，電流有與主極化不同相的其他分量，產(chǎn)生高次模，對交叉極化影響較大。因此，由于貼片的對稱性，J1和J2是一對正交模式。J1和J2由于電流同相，所以在+Z軸產(chǎn)生一個良好的定向輻射。所以，以同軸激勵模式1和模式2，可以實現(xiàn)正交雙線極化。

用兩個正交位置的同軸探針與主輻射桌形天線直接接觸進行角饋電。圖2（c）為5.8 GHz工作頻率下當軸上端口饋電時天線表面電流的分布，可以看出，此時表面電流主要集中在軸方向，由此可以判定電場在遠場的主極化方向為軸方向；圖2（d）為5.8 GHz工作頻率下當軸上端口饋電時天線表面電流的分布，可以看出，此時表面電流主要集中在軸方向，由此可以判定電場在遠場的主極化方向為軸方向；與本征模式分析一致。兩個端口分別激勵下可以觀察到主輻射貼片的電流方向沿著饋電口的對角線，可以實現(xiàn)±45°雙線極化輻射特性。加載三角寄生單元后其中一個端口饋電時整個天線單元電流分布如圖2（f）。

圖2 天線表面電分布圖和輻射方向（續(xù)）

圖2 天線表面電分布圖和輻射方向

2.2 天線參數(shù)分析

該天線單元結(jié)構(gòu)具有高度對稱性，端口1與端口2激勵基本吻合，故只展示出其中一個端口工作時該天線的特性參數(shù)。圖3（a）為無加載寄生三角貼片和加載后的天線 ||的對比，天線的相對阻抗帶寬由6.4%下降至5.5%；圖3（b）為無加載寄生三角貼片和加載后的天線 ||的對比，加載后兩個端口之間的隔離度提升了約10 dB；對圖3（c）為無加載寄生三角貼片和加載后的天線增益的對比，通過在主輻射單元四方加載寄生三角貼片后，主輻射方形貼片上的電流被耦合至加載寄生貼片上，從而增加電流流動路徑，天線單元的增益可以從7.5 dBi提到至11 dBi，口徑效率從47.9%提高至107.2%。圖3（d）為口徑效率隨Load_（加載寄生等腰三角貼片）斜邊長度的變化情況，當Load_=29 mm時，天線單元的口徑效率已達到最大值，若再繼續(xù)增大Load_，增益增加的幅度小于地板增加的幅度，口徑效率會變小。

圖3 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線性能的影響

3 天線2×2陣列仿真與測試對比

為了滿足天線高增益定向輻射特性的設(shè)計需要，如圖4所示，將桌形天線為單元進行組陣。

圖4 天線陣列結(jié)構(gòu)

為滿足較高的端口隔離度和交叉極化比，單元之間采用了對稱反相饋電的方式進行組陣，對稱反相饋電可以抑制高階模從而抑制交叉極化，加工模型見圖5。

圖5 加工實物

圖6為雙極化桌形陣列天線測試與仿真的||對比結(jié)果，兩組端口分別饋電且天線結(jié)構(gòu)高度對稱，可以看到該陣列平均阻抗帶寬達到6.5%（||<-10 dB）；圖7為陣列測試與仿真增益對比圖，平均增益約為15.5 dBi，口徑效率達到76%。

圖6 仿真與實測 | S 11|對比

圖7 仿真與實測增益對比

圖8為該雙極化桌形天線陣列在5.8 GHz處的仿真方向圖。

圖8 5.8GHz處仿真方向

圖9和圖10為兩組端口分別饋電時在微波暗室對該陣列的遠場方向圖5.8 GHz處的測試方向圖。以標準喇叭天線計算增益，方向四個端口饋電時的相對阻抗帶寬為7.2%，增益約為15.06 dBi，口徑效率約為76.6%，半功率波瓣寬度內(nèi)交叉極化比大于40 dB,主旁瓣比約12 dB；方向四個端口饋電時的相對阻抗帶寬為5.9%，增益約為15.03 dBi，口徑效率約為76.1%，半功率波瓣寬度內(nèi)交叉極化比大于40 dB，主旁瓣比約13 dB。該桌形陣列天線在E面和H面都呈現(xiàn)良好的定向輻射特性，半功率波瓣寬度內(nèi)交叉極化比均大于40 dB，主旁瓣比均大于12 dB。

圖9 5.8 GHz處實測方向（X）

圖10 5.8GHz處實測方向（Y）

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一款新型的雙極化桌形天線陣列天線。該天線的單元由放置于中心的由四個內(nèi)置接地腿支撐的方形輻射貼片和四只三角寄生貼片組成，增加了天線的增益和口徑效率。

通過在主輻射片表面開槽和幾何中心加載銷釘抑制高階模對端口隔離度以及天線交叉極化比進行改善，由于天線單元是高度對稱的，端口1和端口2激勵基本吻合，選擇一個模式工作時，仿真得到加載三角形寄生輻射片桌形天線單元||<-10 dB的工作頻帶為5.60～5.92 GHz，相對阻抗帶寬約為5.5%，在頻帶范圍內(nèi)端口隔離度大于25 dB，在諧振頻點5.8 GHz增益在11 dBi左右，主輻射方向半功率波瓣寬度內(nèi)交叉極化比大于23 dB。天線單元以對稱反相饋電組成2×2陣列，天線高度對稱，兩組端口激勵基本吻合，天線樣品的測試與仿真結(jié)果吻合良好，該陣列平均阻抗帶寬達到6.5%（ ||<-10 dB），平均增益約為15.5 dBi，口徑效率達到76%，在E面和H面都呈現(xiàn)良好的定向輻射特性，半功率波瓣寬度內(nèi)交叉極化比均大于40 dB，主旁瓣比均大于12 dB。