一種高性能的微帶全向天線設計與分析

在移動通信領域中，全向高增益天線有著廣泛的應用。微帶交叉陣子天線作為一種全向高增益天線，以其結構簡單，匹配容易，便于批量生產以及造價低廉等優(yōu)點受到重視。一般的微帶交叉陣子天線如圖1所示，這種結構在仿真和實測中，方向圖畸變比較嚴重，天線的電壓駐波比也比較差。文獻給出了一種改進的方案，將微帶天線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性能。文中給出了該結構天線的仿真和實物測試結果，以便與本文提出的微帶全向天線作比較。文中所提出的微帶全向天線如圖3所示。該天線除了采用微帶漸變結構和電感匹配器外，還在天線的頂端加載了λg／4短路匹配枝節(jié)。仿真和測試表明，該天線同文獻中提出的天線相比較，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。

圖1 微帶交叉陣子天線示意圖

　　1 微帶交叉陣子天線的基本原理

　　微帶交叉陣子天線的基本結構如圖1所示。將每段微帶傳輸線的地面看成同軸線的外導體，導帶看作同軸線的內導體，其與傳統(tǒng)的COCO天線具有相似的結構。同樣，微帶交叉陣子天線也是由多個λg／2的微帶單元級聯(lián)而成，天線的地面和導帶在介質基片的兩側交替放置，從而利用交叉連接來實現(xiàn)倒相。由于交叉連接點的不連續(xù)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?zhèn)鬏?，而且微帶傳輸線是均勻的，所以在分析時不考慮空間的輻射。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天線一樣，微帶交叉陣子天線也是一個陣列天線。由陣列天線的基本理論可知，對于遠場區(qū)，天線的歸一化方向性函數(shù)為

　　天線的增益為

　　其中，η為天線的輻射效率；D為天線的方向性系數(shù)。

　　2 微帶交叉陣子天線的設計與分析

　　基本的微帶交叉陣子天線如圖1所示，實驗證明，該結構天線的方向圖畸變比較嚴重，而且?guī)入妷厚v波比也不理想。為了改善天線的性能，將天線地板設計成梯形結構，并在每個微帶單元導帶的中間加載一個矩形貼片，用于對天線進行調諧，此時的天線結構如圖2所示，這在一定程度上改善了天線的阻抗特性。加載的矩形貼片相當于1個電感器。假設該電感器的長為l，寬為w，那么其等效電路的電感L如式（3）所示。

　　其中，h為介質板厚度；t是導體的厚度；Kg為校正因子，其經驗公式為

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

圖2 頂端未加載天線示意圖