孫雨婷，徐永佳，郭慶功

（四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064）

0 引言

近年來，高增益寬波束全向天線陣列被廣泛應(yīng)用于機載、車載等高速移動通信系統(tǒng)及雷達、衛(wèi)星通信系統(tǒng)。使用微帶天線作為其信號收發(fā)的載體，有利于系統(tǒng)的小型化、集成化，而其陣子單元則須具有增益高、E 面和H 面波束均衡、尺寸小的特性。

微帶天線常使用貫穿銷釘、復(fù)合介質(zhì)板、增加腔體結(jié)構(gòu)等方法實現(xiàn)高增益和寬波束[1-4]。文獻[1]采用了貫穿銷釘連通貼片與接地面的方式，設(shè)計了一個工作于E 波段的天線。在工作頻段內(nèi)，天線增益為5.5 dBi，具有86°×86°的均衡3 dB 波寬，尺寸為1.5λ0×1.5λ0×0.28λ0。文獻[2]提出了一款工作于X 波段（點頻）的線極化微帶天線，使用復(fù)合介質(zhì)板的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高增益和寬波束。天線在工作頻點的增益為7 dBi，3 dB 波寬為88°×64°，尺寸為1.67λ0×1.67λ0×0.07λ0。

用上述手段提高增益、展寬波瓣，通常會使天線尺寸過大。近年來，有學(xué)者提出了增加寄生貼片、開漸變縫隙等方法以進一步縮減尺寸[5-11]。文獻[5]提出了一款工作于Ka 波段的線極化微帶天線，通過增加環(huán)形寄生貼片的方法來展寬波瓣，并使用設(shè)計的單元組成了8 元線陣，其單元的3 dB 波寬為159°×74°，單元尺寸為0.74λ0×0.74λ0×0.13λ0；文獻[6]亦采用了增加寄生貼片的方法，設(shè)計了一種工作于Ka 波段的微帶天線，并組成了8 元線陣。天線單元的駐波帶寬為2.9%，E 面波寬為164°，尺寸為0.72λ0×0.72λ0×0.13λ0。文獻[7]設(shè)計了一款由微帶準(zhǔn)八木天線組成，工作于S 波段的二元陣列，其3 dB 波寬為30°×120°。以上3 款天線都達到了縮減尺寸的效果，但其E 面和H 面波寬對稱性較差，且其單元增益只有5 dBi 左右，不利于應(yīng)用在寬俯仰面的高增益垂直極化全向陣列中。

本文運用橋式復(fù)合介質(zhì)板結(jié)構(gòu)的方法，設(shè)計了一款高增益、寬波束、小型化微帶天線，其3 dB波寬為80°×90°，波束均衡度好，便于應(yīng)用在寬俯仰面的垂直極化全向陣列中，且天線單元尺寸僅為0.45λ0×0.45λ0×0.07λ0，有利于陣列尺寸的縮減。

1 天線設(shè)計與仿真

傳統(tǒng)的微帶天線只有5～7 dBi 的增益，以及60°～90°的3 dB 波寬。對于移動通信系統(tǒng)來說，這樣的增益和波寬無法滿足實際應(yīng)用的需求。具有余弦均勻分布的平面矩形孔徑的方向性D可以估計為：

天線的口徑效率εap定義為：

其中G是增益，Ap是天線的物理口徑?？芍?dāng)天線的半波束寬度一定時，天線的方向性是一定的。要在波束寬度確定的情況下提高天線增益，可以設(shè)法提高天線的口徑效率，而傳統(tǒng)微帶天線的口徑效率只有40%～60%，還有一定的提升空間。

文獻[2]采用了復(fù)合介質(zhì)板結(jié)構(gòu)來提高輻射效率，但由于其沿天線H 面介質(zhì)板不對稱，導(dǎo)致貼片有效輻射面積較低，影響了輻射效率。為了保證方向圖的對稱性，提高天線的有效輻射面積，便于調(diào)節(jié)天線的電氣性能，本文設(shè)計了一種橋式復(fù)合介質(zhì)板的結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。最上層是厚度為1 mm 的金屬貼片；中間層兩邊是介電常數(shù)為εr的介質(zhì)材料，中心為空氣，組成橋式復(fù)合介質(zhì)板結(jié)構(gòu)；最下層由F4B 基板和腐銅接地面構(gòu)成，采用探針饋電，在地板下方接入SMA 接頭。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

由于高介電常數(shù)的材料損耗較大，不利于提高天線的輻射效率。而普通低介電常數(shù)基板的厚度通常是確定的，不利于橋式復(fù)合介質(zhì)板結(jié)構(gòu)的設(shè)計。因此，選擇了PTFE 作為介質(zhì)材料。為了探究橋式復(fù)合介質(zhì)板結(jié)構(gòu)的特點，分析了地板寬度D、空氣層寬度S和層高H天線性能的影響。如圖2 所示，隨著D的增加，天線工作頻率向低頻移動，天線E面波寬先升高后降低，H面波寬升高；隨著S的增加，天線工作頻率向高頻移動，天線E 面波寬先升高后降低，H 面波寬降低；隨著H的增加，天線工作頻率向低頻移動，天線E 面波寬降低，H 面波寬升高。

圖2 變量D、S、H 的分析結(jié)果

綜合分析結(jié)果，確定天線的最終尺寸如表1所示。從仿真結(jié)果可以看到，天線的工作頻段為2.37～2.53 GHz（6.5%），增益為7.1 dBi，3 dB 波寬為80°×92°。天線參數(shù)變化時，天線駐波和輻射性能變化較小，魯棒性好。另外，此天線還具有結(jié)構(gòu)簡單、易于加工的特點。

表1 天線尺寸/mm

對稱的介質(zhì)結(jié)構(gòu)可使天線的表面電流分布更加均勻，提高有效輻射面積，在矩形貼片的寬邊饋電，使得天線得以展寬E 面波束，達到E 面和H 面波束平衡的效果，有利于后續(xù)組陣應(yīng)用。圖3 給出了文獻[2]中天線和本文所設(shè)計天線的貼片表面電流。可以看到，本文所設(shè)計天線的有效輻射面積有了明顯提升。

圖3 貼片表面電流仿真對比分析

2 測試結(jié)果分析

圖4 和圖5 分別給出了天線加工后的實物圖和實測結(jié)果。

圖4 天線實物

圖5 天線實測結(jié)果

實驗結(jié)果表明，天線在2.36～2.56 GHz（8.1%）的頻段內(nèi)駐波小于2，比仿真結(jié)果多出了1.6%的帶寬，是由于加工時每層結(jié)構(gòu)間存在微小縫隙導(dǎo)致層高增大造成的。增益大于7 dBi，3 dB 波寬為80°×90°，實測和仿真結(jié)果吻合度良好。據(jù)式（2）可計算本文所設(shè)計天線的口徑效率為87.5%，遠高于傳統(tǒng)微帶天線的口徑效率，與上一節(jié)輻射面積增加的仿真結(jié)果相吻合，因而能在不影響波束寬度的同時實現(xiàn)高增益，達到在同樣增益下波束更寬的效果。

3 結(jié)語

采用橋式復(fù)合介質(zhì)板結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款高增益寬波束天線。仿真和實驗結(jié)果表明，天線在2.36～2.56 GHz（8.1%）的工作頻帶內(nèi)駐波小于2，增益大于7 dBi，3 dB 波寬達80°×90°，且尺寸僅0.45λ0×0.45λ0×0.07λ0。天線的口徑效率高達87.5%，實現(xiàn)了在同樣增益下波束更寬的效果，且天線E 面和H 面波束均衡，可作為高速移動通信系統(tǒng)中的垂直極化高增益全向陣列的陣子單元。