孔德珍，陳 星

（四川大學(xué)電子信息學(xué)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(shì)廣受好評(píng)，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(xué)的研究者設(shè)計(jì)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(shí)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(dá)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(jiǎn)潔，增益更高，易實(shí)現(xiàn)多極化，以空氣為介質(zhì)，具有可自支撐特點(diǎn)，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(jì)了工作于5.8 GHz的高增益正交雙線極化的桌形天線并實(shí)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(jìn)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(gè)部分，以主輻射桌形面為饋電單元，利用兩個(gè)正交位置的同軸探針與主輻射桌形天線直接接觸進(jìn)行饋電，頂部主輻射面的四個(gè)角落有四個(gè)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(jì)需要，在主輻射片上下左右四邊分別有一個(gè)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(dòng)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(jìn)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(jìn)行饋電，以高增益和高口徑效率采用電磁仿真軟件對(duì)天線結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)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(jì)原理及參數(shù)分析

2.1 天線設(shè)計(jì)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(gè)角落的四個(gè)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(zhǎng)度對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/2，即

式中：對(duì)應(yīng)自有空間中的波長(zhǎng)。ε為相對(duì)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(zhǎng)為31 mm。采用加載寄生貼片增加電流流動(dòng)路徑，提升增益和口徑效率。

用CST軟件對(duì)該桌形天線基本單元在不加激勵(lì)的情況下進(jìn)行特征模分析，圖2（e）為對(duì)應(yīng)模型的所有特征模式的前四個(gè)模式，（a）、（b）為對(duì)應(yīng)主模式的表面電流和遠(yuǎn)場(chǎng)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(shí)的一對(duì)模式。從圖2（a）可以看出J1在整個(gè)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(gè)90°的旋轉(zhuǎn)，即J2在整個(gè)貼片是同相且朝著Y方向極化。但在主輻射桌面的四個(gè)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(duì)交叉極化影響較大。因此，由于貼片的對(duì)稱性，J1和J2是一對(duì)正交模式。J1和J2由于電流同相，所以在+Z軸產(chǎn)生一個(gè)良好的定向輻射。所以，以同軸激勵(lì)模式1和模式2，可以實(shí)現(xiàn)正交雙線極化。

用兩個(gè)正交位置的同軸探針與主輻射桌形天線直接接觸進(jìn)行角饋電。圖2（c）為5.8 GHz工作頻率下當(dāng)軸上端口饋電時(shí)天線表面電流的分布，可以看出，此時(shí)表面電流主要集中在軸方向，由此可以判定電場(chǎng)在遠(yuǎn)場(chǎng)的主極化方向?yàn)檩S方向；圖2（d）為5.8 GHz工作頻率下當(dāng)軸上端口饋電時(shí)天線表面電流的分布，可以看出，此時(shí)表面電流主要集中在軸方向，由此可以判定電場(chǎng)在遠(yuǎn)場(chǎng)的主極化方向?yàn)檩S方向；與本征模式分析一致。兩個(gè)端口分別激勵(lì)下可以觀察到主輻射貼片的電流方向沿著饋電口的對(duì)角線，可以實(shí)現(xiàn)±45°雙線極化輻射特性。加載三角寄生單元后其中一個(gè)端口饋電時(shí)整個(gè)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(duì)稱性，端口1與端口2激勵(lì)基本吻合，故只展示出其中一個(gè)端口工作時(shí)該天線的特性參數(shù)。圖3（a）為無(wú)加載寄生三角貼片和加載后的天線 ||的對(duì)比，天線的相對(duì)阻抗帶寬由6.4%下降至5.5%；圖3（b）為無(wú)加載寄生三角貼片和加載后的天線 ||的對(duì)比，加載后兩個(gè)端口之間的隔離度提升了約10 dB；對(duì)圖3（c）為無(wú)加載寄生三角貼片和加載后的天線增益的對(duì)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(dòng)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(zhǎng)度的變化情況，當(dāng)Load_=29 mm時(shí)，天線單元的口徑效率已達(dá)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(huì)變小。

圖3 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線性能的影響

3 天線2×2陣列仿真與測(cè)試對(duì)比

為了滿足天線高增益定向輻射特性的設(shè)計(jì)需要，如圖4所示，將桌形天線為單元進(jìn)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(duì)稱反相饋電的方式進(jìn)行組陣，對(duì)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(shí)物

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

圖6 仿真與實(shí)測(cè) | S 11|對(duì)比

圖7 仿真與實(shí)測(cè)增益對(duì)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(shí)在微波暗室對(duì)該陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖5.8 GHz處的測(cè)試方向圖。以標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線計(jì)算增益，方向四個(gè)端口饋電時(shí)的相對(duì)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(gè)端口饋電時(shí)的相對(duì)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(shí)測(cè)方向（X）

圖10 5.8GHz處實(shí)測(cè)方向（Y）

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)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(gè)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(duì)端口隔離度以及天線交叉極化比進(jìn)行改善，由于天線單元是高度對(duì)稱的，端口1和端口2激勵(lì)基本吻合，選擇一個(gè)模式工作時(shí)，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(duì)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(diǎn)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(duì)稱反相饋電組成2×2陣列，天線高度對(duì)稱，兩組端口激勵(lì)基本吻合，天線樣品的測(cè)試與仿真結(jié)果吻合良好，該陣列平均阻抗帶寬達(dá)到6.5%（ ||<-10 dB），平均增益約為15.5 dBi，口徑效率達(dá)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。