頂部抑制和水平面全向輻射的平面背腔天線(xiàn)

1 引言

在一些需要搜索和定位地面和近地目標的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )系統中，比如用于邊境探測識別的探地雷達系統 (Ground Penetrating Radar System)、車(chē)載防碰撞系統(Vehicle Anti-Collision System)等，要求天線(xiàn)在與地面成一定角度的范圍內輻射較強。而天線(xiàn)頂部不在探測服務(wù)區，這些區域的輻射造成能源的浪費，外來(lái)信號也對系統造成干擾，需要抑制。在這些系統中的天線(xiàn)應該具有頂部抑制和水平面全向輻射的特性。同時(shí)，從安全和隱身的角度出發(fā)，還要求這些天線(xiàn)的結構設計為共形化、平面化。

常規的平面微帶天線(xiàn)一方面難以實(shí)現超寬帶，另一方面它的最大輻射方向在天線(xiàn)的頂端，即垂直與輻射單元表面，一般為標準的8字形輻射方向圖，明顯不適合應用于這些領(lǐng)域。雙錐天線(xiàn)或單錐天線(xiàn)被廣泛應用與探地雷達等相關(guān)領(lǐng)域，但是這種類(lèi)型天線(xiàn)的輻射特性，要求它必須暴露于地面才能保證有效地探測和識別周邊物體。說(shuō)明它的隱身性能較差。

本文提出一種可工作于2.8—4.5GHz超寬帶平面背腔天線(xiàn)。根據背腔中多模式混合可以展寬天線(xiàn)帶寬的原理，天線(xiàn)由50歐姆同軸線(xiàn)外導體與矩形背腔相連進(jìn)行饋電。十字交叉的微帶貼片可以起到抑制頂部輻射和增強水平方向輻射的作用。利用三維全波有限元仿真軟件Ansoft HFSS對該天線(xiàn)進(jìn)行建模和仿真。根據其強大的參數優(yōu)化功能，對同軸線(xiàn)內導體在腔內的長(cháng)度、十字交叉貼片的長(cháng)度、十字交叉貼片的寬度以及腔體的大小進(jìn)行整體優(yōu)化。結果表明：所設計天線(xiàn)工作于2.8—4.5GHz，天線(xiàn)的-10dB（VSWR2）阻抗帶寬為48%，頂點(diǎn)增益小于-25dB，最大增益出現在與水平面成45—55度之間的地方，水平方向的增益則大于-0.5dB。并且具有良好的水平面全向輻射特性。

2 天線(xiàn)結構

本文提出的天線(xiàn)結構如圖1所示。天線(xiàn)底端采用50歐姆的同軸線(xiàn)對天線(xiàn)進(jìn)行饋電，即同軸線(xiàn)內外導體的直徑分別為3mm和10mm，同軸線(xiàn)內外導體之間填充了介電常數為2.2的RT/Duraid 5880介質(zhì)。十字交叉結構的微帶片與傳統的矩形片相比：除了起到抑制頂部輻射的作用外，還由于十字片之間的電磁耦合，增強了水平方向的電磁輻射。為了參數優(yōu)化的方便，我們在模型中將十字交叉結構的微帶片長(cháng)和寬分別為設置為L₁和L₂，同軸線(xiàn)內導體距離微帶片的垂直距離g。

根據腔體本征模式的理論，可以計算出3.5GHz范圍內，該長(cháng)方體背腔的長(cháng)寬高可分別設置為70mm, 70mm和18mm。

圖1 天線(xiàn)三維模型圖

3 性能分析

在全波三維有限元軟件中建立如圖1所示的三維天線(xiàn)模型。這里我們使用Ansoft HFSS對其進(jìn)計算和性能分析，借助該軟件強大的參數優(yōu)化功能，可以獲得符合要求的幾何參數。比如當只對單一參數進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，可以保持天線(xiàn)的其他參數不變，只研究該參數的變化對天線(xiàn)性能（如回波損耗）的影響，從而就可以確定該單一參數的最優(yōu)值。多參數的優(yōu)化，除可以使用上面的方法外，還可以由Ansoft HFSS集成的各種優(yōu)化算法對整體參量進(jìn)行優(yōu)化取值。

經(jīng)過(guò)Ansoft HFSS優(yōu)化處理得到天線(xiàn)的回波損耗隨頻率變化曲線(xiàn)如圖2所示。從圖中我們可以看出，該天線(xiàn)在2.8—4.5GHz頻段內的回波損耗都小于-10dB。

圖2 天線(xiàn)回波損耗隨頻率的變化關(guān)系

為了研究天線(xiàn)在整個(gè)頻段上的輻射特性，我們給出天線(xiàn)在2.8GHz，3.6GHz，和4.5GHz的xoz面和yoz面以及xoy面的方向圖，如圖3所示。

（a）2.8GHz 的xoz面（實(shí)線(xiàn)）和yoz面（虛線(xiàn)）的方向圖

（b）3.6GHz 的xoz面（實(shí)線(xiàn)）和yoz面（虛線(xiàn)）的方向圖

（c）4.5GHz 的xoz面（實(shí)線(xiàn)）和yoz面（虛線(xiàn)）的方向圖

（d）2.8GHz的xoy面方向圖

（e）3.6GHz的xoy面方向圖

（f）4.5GHz的xoy面方向圖

圖3 天線(xiàn)在三個(gè)頻點(diǎn)上x(chóng)oz、yoz、xoy三個(gè)面上的方向圖

從圖3可以看出天線(xiàn)在高中低三個(gè)頻點(diǎn)上的頂點(diǎn)增益均小于-20dB。同時(shí)，在三個(gè)頻點(diǎn)上的最大增益也均出現在與水平面成45—55度之間的地方。天線(xiàn)水平方向，即在xoy面，三個(gè)頻點(diǎn)上的增益均大于-0.5dB。此外，從圖3（d—f）可以看出，該天線(xiàn)在水平方向的增益波動(dòng)在1dB以?xún)?，表明具有良好的水平?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/全向輻射">全向輻射特性。

4 結論

本文設計了一種新型的寬帶平面背腔天線(xiàn)，由同軸線(xiàn)與腔體相連產(chǎn)生多種模式實(shí)現寬帶的阻抗匹配，表面中心的十字交叉微帶片通過(guò)電磁耦合用來(lái)抑制頂部輻射和增強水平方向的輻射。該天線(xiàn)結構簡(jiǎn)單、體積較小、同時(shí)具有全向輻射特性，可以廣泛應用與如探地雷達和汽車(chē)防撞等無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中。