樊思夢, 段美玲, 陳新偉

(1.山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院, 山西 太原 030006;2.山西大學(xué) 外國語學(xué)院, 山西 太原 030006)

0 引 言

全向天線是指水平方向圖上呈360°均勻輻射且豎直面有一定波束寬度的天線。 隨著通信技術(shù)的發(fā)展, 全向天線已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無線電廣播、無線局域網(wǎng)、 車聯(lián)網(wǎng)、 衛(wèi)星通信和空間飛行器等領(lǐng)域。 單極子天線具有垂直極化和全向輻射的特性, 但是1/4波長的單極子天線剖面高度較高, 在一些需要低剖面的領(lǐng)域會受到限制。 目前, 已經(jīng)有一些學(xué)者提出了一些微帶貼片結(jié)構(gòu)的全向天線[1-3]。Liu等[1]在圓形貼片外加載1個耦合圓環(huán),通過調(diào)整耦合圓環(huán)內(nèi)徑和外徑大小, 獲得另外1個諧振頻率來實(shí)現(xiàn)寬頻帶。 文獻(xiàn)[2]通過在圓形貼片上加載圓環(huán)和6個短截線, 再在接地板上蝕刻4個矩形環(huán)槽, 最終達(dá)到了17.6%的相對帶寬,實(shí)現(xiàn)了很好的全向輻射。 文獻(xiàn)[3]提出了一種圓形貼片天線, 通過產(chǎn)生TM02模來實(shí)現(xiàn)全向輻射, 然后在貼片中間加載12個短路通孔來引入TM01模, 進(jìn)而展寬天線帶寬。 然而, 由于以上天線的輻射仰角較大, 水平增益較低, 限制了它們在不同領(lǐng)域的運(yùn)用。

為了更大程度上提高通信覆蓋范圍, 研究人員提出了一些增強(qiáng)天線水平增益的方法, 主要分為2類, 一類是在天線周圍共面加載一些金屬導(dǎo)向器, 引導(dǎo)電磁波向水平方向傳播[4-7]。 文獻(xiàn)[4]通過在圓形貼片周圍垂直地加載8對I字形條帶來提高天線的水平增益, 但是天線的加工難度較大。文獻(xiàn)[5]提出了一款應(yīng)用于DSRC頻段的低剖面全向貼片天線, 在中心饋電的圓形貼片天線的外圍加載了6對3面短路1面開路的扇形條帶,使天線在5.9 GHz時的水平增益提高了3 dB以上。文獻(xiàn)[6]在貼片天線和接地板外圍各加載了一圈工字型條帶, 增強(qiáng)了水平面的電磁波輻射, 提高了天線的方向性和水平增益, 但是該天線的工作帶寬只有30 MHz。Lin等[7]在參考天線周圍共面加載了3個具有短路通孔的環(huán)形金屬圓環(huán)導(dǎo)向器, 使天線在5.34 GHz處實(shí)現(xiàn)了13%的阻抗帶寬和3.72 dBi的水平增益。

另一類方法是在天線周圍或上方加載超材料單元, 利用超材料的特性改變電磁波的傳播方向,從而提高其水平增益[8-10]。Tang等[8]基于復(fù)合左右手傳輸線(CRLH-TLs)理論, 將中心饋電的圓形貼片天線與樹枝狀結(jié)構(gòu)的超材料陣列放置在同一塊介質(zhì)基板上, 以增大全向天線的水平增益。Guo等[9-10]設(shè)計了近零折射率超材料和負(fù)介電常數(shù)超材料, 將兩種超材料陣列分別放置在天線正上方, 使得在原天線的基礎(chǔ)上, 在一定頻率范圍內(nèi)的水平增益提高了1 dB以上。

本文設(shè)計了一個具有負(fù)介電常數(shù)特性的超材料基板, 并將其放置在中心饋電的圓形貼片上方,改善了輻射特性, 提高了天線的水平增益。 天線工作在5.84 GHz～6.14 GHz, 加載超材料板后天線在通帶內(nèi)的水平增益最大能提高2.15 dB, 最大水平增益可以達(dá)到3.61 dBi。

1 天線設(shè)計

1.1 全向天線結(jié)構(gòu)

設(shè)計的全向天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示, 天線印刷在相對介電常數(shù)為2.2, 介質(zhì)損耗角正切為0.002, 厚度為2 mm 的F4b介質(zhì)基板上, 天線采用同軸探針進(jìn)行饋電。 在介質(zhì)基板頂部, 由1個半徑為rp的圓形貼片和外徑為rlp的耦合圓環(huán)組成, 在圓形貼片的內(nèi)部蝕刻了1個寬度為w0的環(huán)形縫隙,12個直徑為rd的金屬短路通孔均勻地分布在距離中心為rl的圓上; 介質(zhì)基板的底部是1個半徑為rlg的接地板, 在距離中心rg的位置蝕刻了1個寬度為g2的環(huán)形縫隙。

圖1 圓形貼片天線的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the circular patch antenna

由空腔模型理論可知, 圓形貼片天線工作在TM02模時可以實(shí)現(xiàn)全向輻射, 圓形貼片的TM02模的諧振頻率和貼片半徑有如下關(guān)系

表1 天線各部分的尺寸Tab.1 The dimensions of part of the antenna

1.2 ENG超材料結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的超材料晶胞如圖2所示, 由4個U型條帶和2個十字形條帶組合而成,4個U 型條帶加載在1個較大的十字形條帶頂端, 小的十字形條帶和大的十字形條帶呈45°交叉放置, 整體超材料晶胞蝕刻在厚度為2 mm 的F4b介質(zhì)基板(εr=2.2,tanδ=0.002)兩側(cè)。 為了得到晶胞的超材料特性, 通過Floquet端口法來進(jìn)行建模, 仿真和優(yōu)化后, 單個晶胞的各項(xiàng)參數(shù)為:a=5.75 mm,w=0.5 mm,θ=45°,b=4.55 mm,t=4 mm,l1=p1=p2=22 mm。 仿真得到的S參數(shù)如圖3所示。

圖2 超材料晶胞的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the metamaterial cell

圖3 單個晶胞仿真的S 參數(shù)Fig.3 Simulated reflection coefficients of single cell

根據(jù)史密斯等提出的利用S參數(shù)獲取有效介電常數(shù)、 有效磁導(dǎo)率和波阻抗的方法[11], 參數(shù)反演算法可以表示為

圖4 單個晶胞的超材料特性曲線Fig.4 Metamaterial properties of single cell

1.3 加載ENG后的全向天線

為了提高天線的水平面增益, 將設(shè)計的ENG超材料排列成陣列, 放置在全向天線的上方, 整個超材料板的尺寸為100 mm×100 mm×2 mm。天線的整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 天線整體結(jié)構(gòu)Fig.5 Antenna structure loaded with ENG

圖6和圖7給出了超材料結(jié)構(gòu)對全向天線的影響。 從圖6中可以看出, 未加載ENG結(jié)構(gòu)前天線的-10 dB阻抗帶寬為5.70 GHz～6.06 GHz,加載ENG 后天線的-10 dB 阻抗帶寬為5.77 GHz～6.06 GHz, 天線的低頻諧振頻率向高頻偏移, 帶寬有所減小。 圖7對比了加載ENG前后天線在5.9 GHz時的E面和水平面的輻射方向圖, 由圖可知, 天線都實(shí)現(xiàn)了類單極子輻射, 因?yàn)槌牧系募虞d, 天線的半功率波束寬度從80°減小到33°, 天線的主輻射波束方向也由63°轉(zhuǎn)變?yōu)?5°。

圖6 加載ENG前后天線的反射系數(shù)Fig.6 Reflection coefficient of antenna and antenna with ENG

圖7 加載ENG前后天線在5.9 GHz的輻射方向圖Fig.7 Radiation patterns of antenna and antenna with ENG at 5.9 GHz

未加載ENG 結(jié)構(gòu)的天線在水平面的最大增益僅有1.09 dBi, 加載ENG結(jié)構(gòu)后天線在水平面的最大增益達(dá)到4.27 dBi, 較加載前提高了3.58 dB。 這是因?yàn)椴糠謧?cè)向入射到超材料板的電磁波會因?yàn)槌牧系母飨虍愋蕴匦? 改變了天線的主輻射方向, 使得水平方向上的輻射增強(qiáng), 從而提高了天線的水平面增益。

2 參數(shù)分析

為了說明不同超材料單元個數(shù)對天線性能的影響, 設(shè)計了3種不同單元數(shù)的ENG 超材料板(3×3,4×4,5×5)。 將3種ENG超材料板分別放置在距天線上表面高度hf=40 mm 處, 圖8比較了它們在5.9 GHz時的E面和水平面的輻射方向圖。 由圖可知, 加載超材料結(jié)構(gòu)后, 天線在5.9 GHz處的水平面的輻射方向圖有明顯改善。 晶胞數(shù)目為3×3個時, 天線在θ=90°處的增益增加不大, 水平增益小于2.5 dB, 這是因?yàn)槌牧习宓拿娣e小于下方的全向天線的面積, 所以, 只有部分電磁波的傳播方向改變?yōu)樗椒较颉?然而, 當(dāng)超材料晶胞為5×5個時, 由于超材料面積過大, 天線的背向輻射開始增加,θ=90°處的增益也開始減小,所以, 最終選用4×4的超材料排列方式。

圖8 不同晶胞個數(shù)時天線在5.9 GHz的輻射方向圖Fig.8 Radiation patterns of antennas with different unit numbers at 5.9 GHz

為了研究超材料覆蓋板與天線之間的距離hf對天線性能的影響, 將超材料基板放置在天線上方不同高度處, 得到的結(jié)果如圖9所示。 圖中可以看出, 隨著高度的增加, 當(dāng)hf= 30 mm 時, 天線的主輻射方向θ＞90°, 水平面附近的增益增加不大。 當(dāng)hf=40 mm 時, 主波束開始朝水平面輻射, 水平增益提高到4.27 dBi。 當(dāng)hf=50 mm 時,由于高度太高, 大部分電磁波已不受超材料板的影響, 在水平面處的電磁波開始分散, 所以, 水平 增益會有所下降。 最終, 我們選取hf=40 mm。

圖9 不同h f 時天線在5.9 GHz時的輻射方向圖Fig.9 Radiation patterns of antennas with different h f a t 5.9 GHz

3 仿真與測試結(jié)果

本文所設(shè)計的天線實(shí)物如圖10所示。

圖10 加載ENG前后天線的實(shí)物制作圖Fig.10 Fabricated antenna and antenna with ENG

為了提高天線的實(shí)用性, 在天線和超材料介質(zhì)基板中間采用透明的尼龍螺絲釘進(jìn)行固定。 使用Agilent N5230A 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和SZ-VL天線自動測試系統(tǒng)分別測試天線的反射系數(shù)和輻射方向圖。 圖11為加載ENG超材料后天線的仿真和測試的反射系數(shù)結(jié)果。

圖11 天線的仿真和測試的S 11Fig.11 The simulated and measured S 11 parameters of antenna

由圖11可知,加載超材料后,天線的仿真和測試的阻抗帶寬分別為5.77 GHz～6.06 GHz 和5.84 GHz～6.14 GHz。 測試的阻抗帶寬稍微向高頻偏移。

圖12為天線在5.9 GHz的E 面及水平面(θ=90°)的仿真和測試的歸一化輻射方向圖, 可以觀察到天線在5.9 GHz處具有很好的全向輻射特性, 仿真和測量的結(jié)果也基本保持一致。 測試結(jié)果表明, 天線的不圓度小于3 dBi且加載超材料后天線的最大水平增益達(dá)到3.11 dBi。

圖12 天線在5.9 GHz仿真和測試的輻射方向圖Fig.12 The simulated and measured radiation patterns of antenna at 5.9 GHz

圖13給出了不同頻點(diǎn)處的天線仿真和測試的水平面增益圖。

圖13 仿真和測試的水平面增益Fig.13 The simulated and measured horizontal gain

由圖13可知, 設(shè)計的天線在5.86 GHz～5.95 GHz 頻率范圍內(nèi)的水平增益均大于2.53 dBi, 在5.95 GHz達(dá)到峰值3.61 dBi。 天線測試結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致, 但是由于天線加工和測試過程中存在誤差, 使得測試天線的阻抗帶寬向高頻移動, 所以, 測試結(jié)果較仿真結(jié)果略有減小。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一款高水平增益的全向天線, 并提出了一種具有負(fù)介電常數(shù)特性的超材料結(jié)構(gòu),將其周期性排列后加載在全向貼片天線的上方,有效得改善了天線的輻射方向圖, 提高了天線的水平面增益。 結(jié)果表明, 在加載ENG超材料基板后, 天線的阻抗帶寬為5.84 GHz～6.14 GHz, 天線在5.9 GHz處的半功率波束寬度由80°減小到了33°。 天線在整個通帶內(nèi)水平增益最大提高了2.15 dB, 最大增益達(dá)到3.61 dBi。