張照恒 姚 斌 張建宇 李 琳

云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院

1 天線高增益的研究現(xiàn)狀

隨著無(wú)線電科技的發(fā)展，提高天線及微帶天線的增益儼然成為天線研究的一個(gè)重要課題。國(guó)內(nèi)外基本一致地將工作重心放在天線陣的研究上。2012年，瑞典的林雪平大學(xué)與隆德大學(xué)以及貝爾實(shí)驗(yàn)室合作研發(fā)出了128個(gè)陣元數(shù)目的天線陣。期間，丹麥的奧爾堡大學(xué)和美國(guó)的萊斯大學(xué)也做了類(lèi)似工作。國(guó)內(nèi)也同樣重視天線陣的研究。2014年，“863計(jì)劃”啟動(dòng)了針對(duì)128～256天線的Massive MiMO技術(shù)的立項(xiàng)工作。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于天線陣列和解耦技術(shù)的相關(guān)論文層出不窮，有不少研究是針對(duì)提高單體陣元天線的增益而開(kāi)展的。相比于天線陣的研究，該研究同樣非常重要，因?yàn)殛囋词顷嚵械幕A(chǔ)。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于提高單體的陣元天線增益的研究成果主要有透鏡方法、基于高零點(diǎn)線性疊加的圓形微帶天線的高增益方法等，均取得了不俗的成果。文章設(shè)計(jì)的模場(chǎng)塑造方法也是針對(duì)單體天線。

2 微帶天線的輻射機(jī)理與增益分析

以矩形貼片微帶天線為例，其工作模式一般為T(mén)M10模。在此工作模式下，微帶天線的周邊電場(chǎng)如圖1所示。

微帶天線能在空間產(chǎn)生的輻射類(lèi)型取決于如圖1所示的微帶天線周邊的電磁場(chǎng)，顯然，微帶天線在z軸正方向的輻射最強(qiáng)，因?yàn)槠渲苓叺碾妶?chǎng)既有與微帶天線貼片平行的Et分量，又有與微帶天線貼片垂直的En分量，僅在z軸方向上可以得到4條周邊中的其中兩條邊上來(lái)自于Et分量產(chǎn)生的輻射疊加（其他輻射將在z軸方向上抵消），故相當(dāng)于輻射增強(qiáng)了一倍。再加之接地導(dǎo)體面的反射，輻射又可再次翻倍，故微帶天線的主要輻射方向即是正z軸方向，正z軸方向的增益也是微帶天線的最大增益，也就是通常所說(shuō)的微帶天線增益。但事實(shí)上，這個(gè)增益其實(shí)很低。為了分析這個(gè)問(wèn)題，可將圖1中的周邊電場(chǎng)分解為如圖2所示的兩個(gè)部分。

圖1 TM10模下矩形微帶天線的周邊電場(chǎng)示意

圖2 TM10模下矩形微帶天線的周邊電場(chǎng)分解示意

（1）關(guān)于En分量的示意（見(jiàn)圖2右），以z軸方向而論，圖2中En的整體是無(wú)法產(chǎn)生輻射的，因?yàn)閥＜0內(nèi)的En和y＞0內(nèi)的En相反，其產(chǎn)生的輻射必然在z軸方向上抵消。但若不以z軸方向作為考察對(duì)象，圖2中En所產(chǎn)生的輻射是不容忽視的，譬如，以xoy面來(lái)考察，雖然依舊y＜0內(nèi)的En和y＞0內(nèi)的En相反，但其到達(dá)接受輻射位置的行程是不同的，即相位不同。若相位也正好相反，則可使輻射翻倍。綜上所述，微帶天線周邊的En雖不會(huì)在z軸方向上有輻射貢獻(xiàn)，但會(huì)在其他方向上有不小的輻射。

（2）關(guān)于Et的示意（見(jiàn)圖2左），同理分析可知，兩條平行于y軸邊上的Et不會(huì)對(duì)z軸方向上有輻射貢獻(xiàn)，但可以對(duì)其他方向產(chǎn)生不小的輻射，而平行于x軸兩條邊上的Et則如前文翻倍地在z軸方向上有輻射貢獻(xiàn)。需要十分注意的是，這個(gè)輻射其實(shí)并不理想，因?yàn)槭聦?shí)上導(dǎo)體的凸起處電磁場(chǎng)往往會(huì)大些，也就是說(shuō)圖2中x坐標(biāo)絕對(duì)值越大的地方，電場(chǎng)越強(qiáng)，電磁場(chǎng)也就越強(qiáng)，拐角點(diǎn)處的電磁場(chǎng)最強(qiáng)。然而，越靠近拐角點(diǎn)處，Et的方向就越偏離y軸方向，所以垂直于y方向的Et中的分量在z軸方向上產(chǎn)生的輻射也很小，而微帶天線增益（即正z軸的增益）就是這種“不良”輻射導(dǎo)致的。故微帶天線的增益較低也便不難理解。

3 微帶天線周邊模場(chǎng)塑造方法

通過(guò)以上分析可知，微帶天線的輻射增益較小，問(wèn)題并不在電磁波的傳播途徑上，而是在微帶天線的輻射根源上。如果可以對(duì)“源”進(jìn)行重塑，那么問(wèn)題必將得到很好的解決。這才是提高增益的關(guān)鍵。微帶天線周邊模場(chǎng)的塑造方法就是以該思想為核心而展開(kāi)研究的。

能對(duì)電磁場(chǎng)產(chǎn)生顯著影響的物質(zhì)有且只有兩種：導(dǎo)電體、導(dǎo)磁體?？紤]到微帶天線的貼片和接地板都是導(dǎo)體，筆者選擇導(dǎo)電體作為實(shí)現(xiàn)該方法的工作物質(zhì)，因?yàn)殡妶?chǎng)總是垂直于導(dǎo)體的，故而相互垂直的導(dǎo)體面的內(nèi)交線上電場(chǎng)趨于零，電磁場(chǎng)亦趨于零；又因?yàn)槲炀€內(nèi)部的電磁場(chǎng)總是垂直于貼片和接地板的，所以使用導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)該方法要比使用導(dǎo)磁體方便得多，只需在貼片和接地板之間加上垂直于貼片和接地板的導(dǎo)體，銜接交界線上的電磁場(chǎng)就必趨于零。從形象上來(lái)說(shuō)，每當(dāng)在導(dǎo)體和接地板之間加上一個(gè)垂直于它們的導(dǎo)體，都可以對(duì)天線內(nèi)部的電磁場(chǎng)進(jìn)行“擠壓”。依此作為原理，就可以把原本的電磁場(chǎng)往所需的方向變化，達(dá)到塑造微帶天線周邊模場(chǎng)的目的。當(dāng)然，這個(gè)塑造也并非完全自由，而是需要以模式本身的場(chǎng)分布為基本出發(fā)點(diǎn)。

只要能重塑微帶天線周邊的模場(chǎng)，使之達(dá)到以下效果：（1）盡可能地消除垂直的電場(chǎng)分量En（圖2右邊的電場(chǎng)）；（2）盡可能地消除平行于y軸周邊上的平行電場(chǎng)分量Et（圖2左的藍(lán)色周邊電場(chǎng)）；（3）盡可能地提高平行于x軸周邊上Et中的平行于y軸的電場(chǎng)分量（圖2左紅色周邊的電場(chǎng)中平行于y軸的分量），即可達(dá)到很好的效果。故而，可以在矩形微帶天線貼片的4個(gè)拐角處塞入導(dǎo)體，以達(dá)到消減拐角和側(cè)邊（圖2平行于y軸的周邊）的電磁場(chǎng)的目的；再在側(cè)邊上塞入導(dǎo)體，使得側(cè)邊電磁場(chǎng)再次被擠壓到中部附近。同時(shí)，在貼片中心沿y軸偏離一定距離的地方再次塞入導(dǎo)體，使得電磁場(chǎng)最密集的地方向平行于x軸的兩邊擠壓，便可達(dá)到目的。需要說(shuō)明的是，最后塞入的導(dǎo)體既對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行擠壓，又對(duì)平行于x軸周邊電場(chǎng)Et中的平行于y軸的電場(chǎng)分量有吸引作用，所以效果甚好。以上是具體針對(duì)矩形貼片的TM10模的高增益方法，可以廣泛應(yīng)用。

4 設(shè)計(jì)高增益的5G圓極化天線

4.1 微帶天線的初步模型確定

將正方形定為設(shè)計(jì)天線的貼片形狀，并使用低損耗角的相對(duì)介電常數(shù)為4.4的材料作為基板介質(zhì)，高度定為1 mm，根據(jù)微帶傳輸線特性阻抗公式可求得特性阻抗為50 Ω的微帶線寬度為2 mm，并由HFSS軟件進(jìn)行仿真，可驗(yàn)證50 Ω的微帶線寬度確為2 mm，故將端口寬度定為2 mm?？紤]到微帶天線內(nèi)部塞入導(dǎo)體后諧振頻率會(huì)變化，暫將正方形貼片的邊長(zhǎng)定為30 mm。介質(zhì)基片的邊長(zhǎng)則暫定為正方形貼片邊長(zhǎng)的1.7倍。該天線的初步模型如圖3所示。

圖3 模場(chǎng)塑造方法下初步確定的5G圓極化微帶天線結(jié)構(gòu)

4.2 應(yīng)用模場(chǎng)塑造方法將導(dǎo)體置入

在該貼片天線的貼片和接地板之間塞入導(dǎo)體（本設(shè)計(jì)塞入的導(dǎo)體為圓柱導(dǎo)體），使得TM10模下微帶天線的周邊電磁場(chǎng)變化如圖4所示。將塞入導(dǎo)體的位置和大小進(jìn)行較為精細(xì)的調(diào)整，以最大限度地提高增益；將塞入的導(dǎo)體進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)復(fù)制，使得另一端口激勵(lì)的輻射得到同樣的高增益。

圖4 模場(chǎng)塑造方法內(nèi)塞導(dǎo)體示意

4.3 調(diào)整塞入導(dǎo)體的位置和貼片的尺寸確定最終的天線結(jié)構(gòu)

模型基本確定后，對(duì)貼片及塞入導(dǎo)體的位置做進(jìn)一步調(diào)整，使阻抗匹配的同時(shí)能盡量提高增益。此時(shí)應(yīng)特別注意，不要破化了天線結(jié)構(gòu)的90°對(duì)稱(chēng)，否則會(huì)惡化天線的圓極化功能。最終的天線的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖5所示。

圖5 最終的模場(chǎng)塑造方法下的5G圓極化微帶天線結(jié)構(gòu)

最終的模場(chǎng)塑造方法下的5G圓極化微帶天線結(jié)構(gòu)中，貼片的邊長(zhǎng)為39 mm，介質(zhì)基片的邊長(zhǎng)為94 mm，基片厚度為1.14 mm，端口寬度為2.28 mm，圖5中的小圓柱代表塞入的導(dǎo)體圓柱。單端口激勵(lì)情形下，微帶天線的貼片表面電場(chǎng)如圖6所示。

圖6 最終的模場(chǎng)塑造方法下的5G圓極化微帶天線的貼片表面電場(chǎng)

4.4 HFSS結(jié)果報(bào)告

如圖7—10所示，在中心頻率4.9 GHz上，輸入阻抗約為約50 Ω，S11＜-16.5 dB。總增益和左旋增益均約為12 dB，軸比為1.15 dB＜3 dB。在4.8 GHz和5 GHz時(shí)的增益和軸比情況與在中心頻率時(shí)大體相同。

圖7 最終模場(chǎng)塑造方法下5G圓極化微帶天線的S11參數(shù)

圖8 最終模場(chǎng)塑造方法下5G圓極化微帶天線在4.9 GHz時(shí)的總增益

圖9 最終模場(chǎng)塑造方法下 5G圓極化微帶天線在4.9 GHz時(shí)的左旋增益

圖10 最終模場(chǎng)塑造方法下5G圓極化微帶天線在4.9 GHz時(shí)的軸比

5 結(jié)束語(yǔ)

以上設(shè)計(jì)示例表明，模場(chǎng)塑造方法對(duì)提高增益的效果十分顯著，且其理論與仿真設(shè)計(jì)十分吻合。示例中，微帶天線增益達(dá)到了12 dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)微帶天線的增益。