高性能的微帶全向天線(xiàn)設計

在移動(dòng)通信領(lǐng)域中，全向高增益天線(xiàn)有著(zhù)廣泛的應用。微帶交叉陣子天線(xiàn)作為一種全向高增益天線(xiàn)，以其結構簡(jiǎn)單，匹配容易，便于批量生產(chǎn)以及造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)受到重視。一般的微帶交叉陣子天線(xiàn)如圖1所示，這種結構在仿真和實(shí)測中，方向圖畸變比較嚴重，天線(xiàn)的電壓駐波比也比較差。文獻給出了一種改進(jìn)的方案，將微帶天線(xiàn)的地面做成梯形結構，如圖2所示。這在一定程度上改善了天線(xiàn)性能。文中給出了該結構天線(xiàn)的仿真和實(shí)物測試結果，以便與本文提出的微帶全向天線(xiàn)作比較。文中所提出的微帶全向天線(xiàn)如圖3所示。該天線(xiàn)除了采用微帶漸變結構和電感匹配器外，還在天線(xiàn)的頂端加載了λg／4短路匹配枝節。仿真和測試表明，該天線(xiàn)同文獻中提出的天線(xiàn)相比較，具有更好的電壓駐波比和更高的增益，是一種高性能的微帶全向天線(xiàn)。

圖1 微帶交叉陣子天線(xiàn)示意圖

1 微帶交叉陣子天線(xiàn)的基本原理

微帶交叉陣子天線(xiàn)的基本結構如圖1所示。將每段微帶傳輸線(xiàn)的地面看成同軸線(xiàn)的外導體，導帶看作同軸線(xiàn)的內導體，其與傳統的COCO天線(xiàn)具有相似的結構。同樣，微帶交叉陣子天線(xiàn)也是由多個(gè)λg／2的微帶單元級聯(lián)而成，天線(xiàn)的地面和導帶在介質(zhì)基片的兩側交替放置，從而利用交叉連接來(lái)實(shí)現倒相。由于交叉連接點(diǎn)的不連續性形成輻射，使得這種結構存在兩種模式，即傳輸模和輻射模。對于傳輸模，由于波沿導帶和接地板的內表面傳輸，而且微帶傳輸線(xiàn)是均勻的，所以在分析時(shí)不考慮空間的輻射。而輻射模，則是由于各接地板的交替處電壓源激勵起的輻射電流存在于接地板的內外表面，從而形成輻射。同COCO天線(xiàn)一樣，微帶交叉陣子天線(xiàn)也是一個(gè)陣列天線(xiàn)。由陣列天線(xiàn)的基本理論可知，對于遠場(chǎng)區，天線(xiàn)的歸一化方向性函數為

天線(xiàn)的增益為

天線(xiàn)的增益為

其中，η為天線(xiàn)的輻射效率；D為天線(xiàn)的方向性系數。

2 微帶交叉陣子天線(xiàn)的設計與分析

基本的微帶交叉陣子天線(xiàn)如圖1所示，實(shí)驗證明，該結構天線(xiàn)的方向圖畸變比較嚴重，而且帶內電壓駐波比也不理想。為了改善天線(xiàn)的性能，將天線(xiàn)地板設計成梯形結構，并在每個(gè)微帶單元導帶的中間加載一個(gè)矩形貼片，用于對天線(xiàn)進(jìn)行調諧，此時(shí)的天線(xiàn)結構如圖2所示，這在一定程度上改善了天線(xiàn)的阻抗特性。加載的矩形貼片相當于1個(gè)電感器。假設該電感器的長(cháng)為l，寬為w，那么其等效電路的電感L如式（3）所示。

其中，h為介質(zhì)板厚度；t是導體的厚度；Kg為校正因子，其經(jīng)驗公式為

從式（3）可以看出，在介質(zhì)板參數確定的情況下，矩形貼片的電感值主要由其寬度w來(lái)決定。

圖2 頂端未加載天線(xiàn)示意圖

微帶交叉陣子天線(xiàn)同COCO天線(xiàn)具有相似的結構和相同的工作原理，因而它們具有相似的等效電路。圖2所示為微帶天線(xiàn)，每個(gè)微帶單元的等效電路如圖4所示，其中，R為等效輻射電阻；C為等效電容；L為等效電感。L包括微帶單元本身的電感和加載的電感。它們組成一個(gè)RLC諧振電路。在天線(xiàn)沒(méi)有加載矩形貼片之前，其特性阻抗呈現較大的容抗，因此，通過(guò)調整矩形貼片的寬度，改變加載電感的大小，以求得最佳的S11。

圖3 頂端加載短路匹配枝節的微帶交叉陣子天線(xiàn)示意圖

圖4 頂端未加載短路枝節時(shí)的天線(xiàn)的等效電路

圖5給出了不同值時(shí)天線(xiàn)的S11。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，當w=6時(shí)，此時(shí)的天線(xiàn)具有最佳的匹配性能。這時(shí)天線(xiàn)S11在帶內-15 dB。

圖5 頂端未加載時(shí)不同W值對應的天線(xiàn)S11

為了進(jìn)一步減小天線(xiàn)的能量反射，改善天線(xiàn)的輻射特性，在天線(xiàn)頂端加載了λg／4短路匹配枝節，此時(shí)天線(xiàn)結構如圖3所示。在天線(xiàn)頂端進(jìn)行加載后，每個(gè)微帶單元的等效電路如圖6所示，相當于在微帶單元上并聯(lián)了一個(gè)導納。其中，R1為該微帶單元的等效輻射電阻；C1為等效電容；L1為等效電感；Y為頂端短路枝節的等效導納。

圖6 頂端加載后天線(xiàn)的等效電路

短路匹配枝節的導納Y對整個(gè)天線(xiàn)的阻抗匹配起到調節作用。從Smith圓圖得知，天線(xiàn)頂端未加載λg／4短路匹配枝節時(shí)，在2 400～2 483.5 MHz，天線(xiàn)阻抗的實(shí)部介于37～46 Ω之間，加載匹配枝節后，天線(xiàn)特性阻抗的實(shí)部在47～58 Ω之間。而且天線(xiàn)阻抗的虛部也有明顯的變化，在要求頻帶內，其值更接近于0。圖7和圖8給出了兩副天線(xiàn)由CST仿真軟件得到的阻抗實(shí)部和虛部隨頻率變化曲線(xiàn)。從圖中可以看出，天線(xiàn)頂端加載λg／4短路匹配枝節后，天線(xiàn)阻抗實(shí)部明顯增加，虛部也比未加載時(shí)有減小。圖9給出了頂端加載短路匹配枝節后不同w對天線(xiàn)S11的影響。從圖中可知，當w為6時(shí)，在要求頻帶內，天線(xiàn)的S11-20 dB。

圖7 天線(xiàn)阻抗實(shí)部隨頻率變化曲線(xiàn)

圖8 天線(xiàn)阻抗虛部隨頻率變化曲線(xiàn)

圖9 頂未加載后不同W值對應的天線(xiàn)S11

天線(xiàn)頂端加載λg／4短路匹配枝節后，天線(xiàn)上的電流分布隨之發(fā)生變化。當波傳到天線(xiàn)頂端經(jīng)過(guò)λg／4單元時(shí)，產(chǎn)生90°相移，經(jīng)過(guò)短路點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生180°相移，再經(jīng)過(guò)λg／4地面時(shí)，又產(chǎn)生90°相移。電流經(jīng)過(guò)短路匹配枝節后，產(chǎn)生了360°的相移。經(jīng)過(guò)移相后的電流就同原來(lái)的激勵電流具有相同的相位，從而對天線(xiàn)起到電流補償的作用，保持了天線(xiàn)上電流的平衡。

天線(xiàn)的實(shí)物如圖10所示。天線(xiàn)采用厚度為1.5 mm，相對介電常數為2.65的介質(zhì)板，底部采用50 ΩSMA接頭饋電。在實(shí)際制作中，天線(xiàn)陣子長(cháng)度要略小于仿真長(cháng)度，這是由于材料的損耗引起的。一般而言，天線(xiàn)梯形地面的底邊長(cháng)λg／2，矩形貼片的長(cháng)略小于梯形地面的短邊長(cháng)。頂端的λg／4匹配枝節的長(cháng)度也要略小于天線(xiàn)工作波長(cháng)的1／4。

圖10 天線(xiàn)的實(shí)物

表 1和圖11分別給出了兩副天線(xiàn)實(shí)測增益和S11的對比?？梢钥闯?，天線(xiàn)頂端加載短路匹配后，天線(xiàn)的增益提高了1～1.3 dBi。這是因為，頂端加載短路匹配枝節后，改善了天線(xiàn)的阻抗匹配性能，提高了天線(xiàn)的輻射效率，減小了天線(xiàn)上能量的反射，使得每個(gè)微帶單元上所得到的輻射功率最大，充分利用了天線(xiàn)的口徑效率，從而提高了天線(xiàn)的增益。

圖11 頂端加載和頂端無(wú)加載天線(xiàn)實(shí)際測量

3 結束語(yǔ)

兩副天線(xiàn)的CST仿真結果和實(shí)測結果基本吻合。實(shí)際測試結果與仿真結果對比后發(fā)現，天線(xiàn)的實(shí)測增益均略高于由仿真軟件得到的增益，這主要是由于大地對天線(xiàn)的影響造成的。在天線(xiàn)頂端加載λg／4短路匹配枝節后，進(jìn)一步降低了天線(xiàn)的VSWR，提高了增益。天線(xiàn)實(shí)物采用7節微帶單元級聯(lián)，總高度25 cm。實(shí)測平均增益達9 dBi，如果要獲得更高增益，可以在此基礎上采用更多的微帶單元進(jìn)行級聯(lián)，是一種高性?xún)r(jià)比的微帶高增益全向天線(xiàn)。