高性能的微帶全向天線設計

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(chǎn)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(nèi)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(zhì)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(nèi)表面?zhèn)鬏敚椅鬏斁€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(nèi)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

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)?nèi)電壓駐波比也不理想。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(diào)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(zhì)板厚度；t是導體的厚度；Kg為校正因子，其經(jīng)驗公式為

從式（3）可以看出，在介質(zhì)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

微帶交叉陣子天線同COCO天線具有相似的結構和相同的工作原理，因而它們具有相似的等效電路。圖2所示為微帶天線，每個微帶單元的等效電路如圖4所示，其中，R為等效輻射電阻；C為等效電容；L為等效電感。L包括微帶單元本身的電感和加載的電感。它們組成一個RLC諧振電路。在天線沒有加載矩形貼片之前，其特性阻抗呈現(xiàn)較大的容抗，因此，通過調(diào)整矩形貼片的寬度，改變加載電感的大小，以求得最佳的S11。

圖3 頂端加載短路匹配枝節(jié)的微帶交叉陣子天線示意圖

圖4 頂端未加載短路枝節(jié)時的天線的等效電路

圖5給出了不同值時天線的S11。經(jīng)過優(yōu)化，當w=6時，此時的天線具有最佳的匹配性能。這時天線S11在帶內(nèi)-15 dB。

圖5 頂端未加載時不同W值對應的天線S11

為了進一步減小天線的能量反射，改善天線的輻射特性，在天線頂端加載了λg／4短路匹配枝節(jié)，此時天線結構如圖3所示。在天線頂端進行加載后，每個微帶單元的等效電路如圖6所示，相當于在微帶單元上并聯(lián)了一個導納。其中，R1為該微帶單元的等效輻射電阻；C1為等效電容；L1為等效電感；Y為頂端短路枝節(jié)的等效導納。

圖6 頂端加載后天線的等效電路

短路匹配枝節(jié)的導納Y對整個天線的阻抗匹配起到調(diào)節(jié)作用。從Smith圓圖得知，天線頂端未加載λg／4短路匹配枝節(jié)時，在2 400～2 483.5 MHz，天線阻抗的實部介于37～46 Ω之間，加載匹配枝節(jié)后，天線特性阻抗的實部在47～58 Ω之間。而且天線阻抗的虛部也有明顯的變化，在要求頻帶內(nèi)，其值更接近于0。圖7和圖8給出了兩副天線由CST仿真軟件得到的阻抗實部和虛部隨頻率變化曲線。從圖中可以看出，天線頂端加載λg／4短路匹配枝節(jié)后，天線阻抗實部明顯增加，虛部也比未加載時有減小。圖9給出了頂端加載短路匹配枝節(jié)后不同w對天線S11的影響。從圖中可知，當w為6時，在要求頻帶內(nèi)，天線的S11-20 dB。

圖7 天線阻抗實部隨頻率變化曲線

圖8 天線阻抗虛部隨頻率變化曲線

圖9 頂未加載后不同W值對應的天線S11

天線頂端加載λg／4短路匹配枝節(jié)后，天線上的電流分布隨之發(fā)生變化。當波傳到天線頂端經(jīng)過λg／4單元時，產(chǎn)生90°相移，經(jīng)過短路點時，產(chǎn)生180°相移，再經(jīng)過λg／4地面時，又產(chǎn)生90°相移。電流經(jīng)過短路匹配枝節(jié)后，產(chǎn)生了360°的相移。經(jīng)過移相后的電流就同原來的激勵電流具有相同的相位，從而對天線起到電流補償?shù)淖饔?，保持了天線上電流的平衡。

天線的實物如圖10所示。天線采用厚度為1.5 mm，相對介電常數(shù)為2.65的介質(zhì)板，底部采用50 ΩSMA接頭饋電。在實際制作中，天線陣子長度要略小于仿真長度，這是由于材料的損耗引起的。一般而言，天線梯形地面的底邊長λg／2，矩形貼片的長略小于梯形地面的短邊長。頂端的λg／4匹配枝節(jié)的長度也要略小于天線工作波長的1／4。

圖10 天線的實物

表 1和圖11分別給出了兩副天線實測增益和S11的對比?？梢钥闯?，天線頂端加載短路匹配后，天線的增益提高了1～1.3 dBi。這是因為，頂端加載短路匹配枝節(jié)后，改善了天線的阻抗匹配性能，提高了天線的輻射效率，減小了天線上能量的反射，使得每個微帶單元上所得到的輻射功率最大，充分利用了天線的口徑效率，從而提高了天線的增益。

圖11 頂端加載和頂端無加載天線實際測量

3 結束語

兩副天線的CST仿真結果和實測結果基本吻合。實際測試結果與仿真結果對比后發(fā)現(xiàn)，天線的實測增益均略高于由仿真軟件得到的增益，這主要是由于大地對天線的影響造成的。在天線頂端加載λg／4短路匹配枝節(jié)后，進一步降低了天線的VSWR，提高了增益。天線實物采用7節(jié)微帶單元級聯(lián)，總高度25 cm。實測平均增益達9 dBi，如果要獲得更高增益，可以在此基礎上采用更多的微帶單元進行級聯(lián)，是一種高性價比的微帶高增益全向天線。