一種高性能的微帶全向天線設(shè)計(jì)與分析

    在移動(dòng)通信領(lǐng)域中，全向高增益天線有著廣泛的應(yīng)用。微帶交叉陣子天線作為一種全向高增益天線，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，匹配容易，便于批量生產(chǎn)以及造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)受到重視。一般的微帶交叉陣子天線如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)在仿真和實(shí)測(cè)中，方向圖畸變比較嚴(yán)重，天線的電壓駐波比也比較差。文獻(xiàn)給出了一種改進(jìn)的方案，將微帶天線的地面做成梯形結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)天線的仿真和實(shí)物測(cè)試結(jié)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(jié)構(gòu)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(cè)試表明，該天線同文獻(xiàn)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(jié)構(gòu)如圖1所示。將每段微帶傳輸線的地面看成同軸線的外導(dǎo)體，導(dǎo)帶看作同軸線的內(nèi)導(dǎo)體，其與傳統(tǒng)的COCO天線具有相似的結(jié)構(gòu)。同樣，微帶交叉陣子天線也是由多個(gè)λg／2的微帶單元級(jí)聯(lián)而成，天線的地面和導(dǎo)帶在介質(zhì)基片的兩側(cè)交替放置，從而利用交叉連接來(lái)實(shí)現(xiàn)倒相。由于交叉連接點(diǎn)的不連續(xù)性形成輻射，使得這種結(jié)構(gòu)存在兩種模式，即傳輸模和輻射模。對(duì)于傳輸模，由于波沿導(dǎo)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(shí)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(lì)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(gè)陣列天線。由陣列天線的基本理論可知，對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)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(shè)計(jì)與分析

　　基本的微帶交叉陣子天線如圖1所示，實(shí)驗(yàn)證明，該結(jié)構(gòu)天線的方向圖畸變比較嚴(yán)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(shè)計(jì)成梯形結(jié)構(gòu)，并在每個(gè)微帶單元導(dǎo)帶的中間加載一個(gè)矩形貼片，用于對(duì)天線進(jìn)行調(diào)諧，此時(shí)的天線結(jié)構(gòu)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(dāng)于1個(gè)電感器。假設(shè)該電感器的長(zhǎng)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(dǎo)體的厚度；Kg為校正因子，其經(jīng)驗(yàn)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(lái)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(jié)構(gòu)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(gè)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(gè)RLC諧振電路。在天線沒(méi)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(guò)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(shí)的天線的等效電路

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

圖5  頂端未加載時(shí)不同W值對(duì)應(yīng)的天線S11

　　為了進(jìn)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(shí)天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。在天線頂端進(jìn)行加載后，每個(gè)微帶單元的等效電路如圖6所示，相當(dāng)于在微帶單元上并聯(lián)了一個(gè)導(dǎo)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(dǎo)納。

圖6 頂端加載后天線的等效電路

　　短路匹配枝節(jié)的導(dǎo)納Y對(duì)整個(gè)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(shí)，在2 400～2 483.5 MHz，天線阻抗的實(shí)部介于37～46 Ω之間，加載匹配枝節(jié)后，天線特性阻抗的實(shí)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(shí)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(shí)部明顯增加，虛部也比未加載時(shí)有減小。圖9給出了頂端加載短路匹配枝節(jié)后不同w對(duì)天線S11的影響。從圖中可知，當(dāng)w為6時(shí)，在要求頻帶內(nèi)，天線的S11<-20 dB。

圖7 天線阻抗實(shí)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(duì)應(yīng)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(dāng)波傳到天線頂端經(jīng)過(guò)λg／4單元時(shí)，產(chǎn)生90°相移，經(jīng)過(guò)短路點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生180°相移，再經(jīng)過(guò)λg／4地面時(shí)，又產(chǎn)生90°相移。電流經(jīng)過(guò)短路匹配枝節(jié)后，產(chǎn)生了360°的相移。經(jīng)過(guò)移相后的電流就同原來(lái)的激勵(lì)電流具有相同的相位，從而對(duì)天線起到電流補(bǔ)償?shù)淖饔?，保持了天線上電流的平衡。

　　天線的實(shí)物如圖10所示。天線采用厚度為1.5 mm，相對(duì)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(shí)際制作中，天線陣子長(zhǎng)度要略小于仿真長(zhǎng)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(zhǎng)<λg／2，矩形貼片的長(zhǎng)略小于梯形地面的短邊長(zhǎng)。頂端的λg／4匹配枝節(jié)的長(zhǎng)度也要略小于天線工作波長(zhǎng)的1／4。

圖10 天線的實(shí)物

　　表1和圖11分別給出了兩副天線實(shí)測(cè)增益和S11的對(duì)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?yàn)椋敹思虞d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(gè)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(wú)加載天線實(shí)際測(cè)量

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　兩副天線的CST仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，天線的實(shí)測(cè)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(duì)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(jìn)一步降低了天線的VSWR，提高了增益。天線實(shí)物采用7節(jié)微帶單元級(jí)聯(lián)，總高度<25 cm。實(shí)測(cè)平均增益達(dá)9 dBi，如果要獲得更高增益，可以在此基礎(chǔ)上采用更多的微帶單元進(jìn)行級(jí)聯(lián)，是一種高性價(jià)比的微帶高增益全向天線。