一种Ku频段全向高增益天线设计

林澍 刘曦 林怡琛 刘梦芊 许艳敏

（哈尔滨工业大学电子与信息工程学院，哈尔滨 150080）

1 引言

在无线通信中，全向天线广泛应用于一点对多点的通信、广播、数据传输等领域。印刷天线的出现，为天线小型化提供了新的途径，并使其批量生产成为现实。近年来，相关研究文献中相继提出了一些新的全向印刷天线结构。例如：文献［1］中提出了应用于国际移动电话-2000（IMT-2000）和5GHz无线局域网（WLAN）频段的双偶极子印刷天线；文献［2］中提出了类似的结构，并在介质板上印刷巴伦进行耦合馈电，但增益并不理想；文献［3］中提出的同轴线馈电偶极子天线，工作在2．4GHz的工业、科学、医学（ISM）频段，反射系数低于-10dB 时的阻抗带宽为400MHz，最大增益为1．4dB；文献［4］中提出了一种由交叉状金属条构成的方柱形单极宽带全向天线，虽然带宽很宽，但在低频段难以实现高增益；文献［5］中设计的同轴横断短截线（CTS）天线可以使全向性和增益都很好，但样机的调试较困难，不利于批量生产。

同轴共线（COCO）天线［6］作为早期全向天线的代表，在提出后不久便被广泛应用在工程实践中。从理论分析可知，要实现COCO 天线的全向高增益，就要求它的每个单元的电流等幅同相。COCO天线采用串馈阵列方式，通过增加单元数量很容易提高天线的增益。不过，由于这种天线自身的谐振结构，带宽成为制约其性能的关键参数，如文献［7］所设计的高增益COCO 天线，它的相对带宽较窄。为实现宽频带，文献［8］中提出了旋转同轴线单元法，即将COCO 天线的某一单元绕与其相邻2个单元旋转一定角度。另外，还可以通过增加单元与单元之间的距离，或者在天线顶端加一套筒等方法来展宽COCO天线频带，但这样增益又受到了影响，且增加了天线的尺寸。这种COCO 天线的加工也很难做到一致性，只能在短波或超短波频段中使用。

宽带印刷偶极子天线为解决上述问题提供了很好的选择。文献［9］中提出了一种基于垂直极化、水平全向、改进带宽的印刷天线阵列结构，电压驻波比≤1．5时的阻抗带宽为5．7%，方向图的不圆度小于0．6dB，最大增益为7．8dBi。本文结合印刷天线技术及WLAN 频段内的印刷天线模型［10］，研制了一种小型化印刷型共面波导（CPW）的中心导体和左右地板交叉连接耦合馈电天线。它同时具有宽频带、高增益和全向性，通频带宽可以覆盖12．4～13．5GHz。另外，设计了三角形的终端匹配器，使该天线具有较宽的带宽和H 面的全向高增益。利用CST MWS®软件对天线参数进行了优化设计，其中对天线表面电流的仿真结果，解释了天线具有宽带和全向高增益辐射特性的原因。本文设计的天线结构简单，易于加工，可应用于Ku频段的通信系统中。

2 天线结构及工作原理

本文设计的CPW 交叉连接耦合馈电天线置于FR-4环氧树脂板上，其相对介电常数为4．4，板厚度为0．5mm。天线为单面的印刷电路板结构，介质板上金属图形的位置关系和尺寸如图1所示。整个天线可作如下划分：CPW 交叉馈电区域和终端匹配区域。电路板正面从左至右包括10段CPW 馈线单元，它们交叉连接在一起，在右边的终端有一个三角形的金属片与CPW 的中心馈线相连。

图1 天线结构图Fig．1 Sketch of antenna structure

本文设计的天线与文献［6］中的COCO 天线有相似之处，但从空间立体结构变成了平面结构，还从封闭结构变成了开放式结构（如图2所示）。整个天线的终端相当于连接了一个三角形单极天线匹配负载，在三角形单极天线的工作频带内，CPW 交叉馈线上的电流为行波电流，因此天线带宽要比传统COCO 天线的要宽。行波电流通过耦合在CPW 的孤立金属地板上产生驻波电流分布，其谐振频率f受到地板单元尺寸l的限制，可由式（1）计算，本文中l＝6．2mm。

式中：c为光速；εe是考虑了介质影响的有效介电常数。

如图2 所示，对于天线辐射单元来说，通过CST MWS®软件仿真可以得到任一天线辐射单元的3部分＋y方向流向的电流，分别是i1，i2，i3。其中：i1是CPW 左侧地板右边缘的电流，i2是CPW中心导体上的电流，i3是CPW 右侧孤立地板左边缘的电流；i1，i2等幅反相，耦合电流i3的辐射决定了天线的辐射特性。要提高该天线的增益，就要通过调整馈电间距控制各个天线辐射单元孤立地板电流的相位，使之在远区达到同相叠加。

图2 天线结构对比Fig．2 Comparison between two antenna structures

3 仿真分析

图3为天线的反射系数仿真结果。在10．2～14．4GHz频率范围内，天线的反射系数低于-10dB，相对带宽达34．1%；在12．3～13．1GHz频率范围内，反射系数低于-14dB（对应的电压驻波比≤1．5），相对带宽为6．3%。

图4为天线在典型频点的E面和H 面方向图。仿真表明：在12．5～13．1 GHz的600 MHz带宽内，天线H 面全向增益均超过5dB，最大增益为7dB，可视为全向高增益天线。

根据第2节天线工作原理的分析，可以从CST MWS®软件仿真所得到的天线表面电流对天线的阻抗特性和辐射特性进行解释。图5是CPW 交叉连接部分的传输线上电流幅度分布曲线。在典型频点12．8GHz处，仿真结果表明电流为行驻波，这是由终端接的宽带匹配负载引起的。这部分行驻波电流耦合到CPW 未交叉馈电的孤立地板上，形成驻波电流（见图6），从而决定天线的辐射特性。为了便于分析，在CST MWS®软件仿真过程中，分别在图1中的CPW 交叉连接部分的传输线上从左至右设置60个电流观察点，在CPW 孤立地板边缘从左至右设置50个电流观察点，图5和图6中0号观察点对应的距离均为0，图5中60号观察点和图6中50号观察点对应的距离为74 mm（即图1 中天线CPW 段的长度）。

表1给出了10个天线辐射单元的孤立地板边缘的电流幅度和相位。可以看出，10个天线辐射单元在12．8GHz处的电流幅度相差不大，相位近似同相（或相差低于π／2），说明在这种情况下天线和对称振子组成的边射阵的辐射方式是等效的，能够形成全向辐射。其方向性函数可由式（2）～（4）描述。由于顶端负载分布的电流较小，因此未考虑其辐射对天线方向图的影响。

图3 天线反射系数仿真结果Fig．3 Simulated result of antenna reflection coefficient

图4 天线辐射方向图仿真结果Fig．4 Simulated results of antenna radiation patterns

图5 共面波导交叉馈电部分的传输线上电流幅度分布Fig．5 Current distribution on transmission line in CPW cross-feed part

图6 10个天线辐射单元上的归一化电流幅度分布Fig．6 Normalized current distribution of ten radiation elements

表1 在12．8GHz处的10个天线辐射单元上的归一化电流幅度和相位Table 1 Normalized current distribution of ten radiation elements at 12．8GHz

式中：fE（δ）为天线的E面方向性函数，它是观察方向与图2中x轴夹角δ的函数；mi和ψi为第i个天线辐射单元表面电流的归一化幅度和相位，其中i＝1，2，…，10。

式中：fH（δ）为天线的H 面方向性函数，它是δ的函数。

式中：k为波数；d为相邻天线辐射单元的中心间距。

在式（2）中，将对称振子单元等效为半波振子，取阵元函数为这是因为：电流的分布类似于余弦分布，与半波振子非常类似。后面的计算结果表明，这样做的误差很小。

根据式（2）～（4），可以绘制出天线的归一化场强线性值方向图（12．8GHz），计算所需要的数据见表1。将计算所得的方向图与CST MWS®软件仿真获得的场强方向图进行比较（见图7），发现两者吻合较好，尤其是在E 面主瓣和H 面，相差不大。经过计算，图7（b）中H 面方向图的最大电平差不超过1．5dB，说明可以使用等效的电流相量阵列辐射模型描述天线的辐射特性。

图7 天线的归一化场强方向图Fig．7 Antenna normalized power patterns

4 测试分析

在微波暗室内应用Agilent E8363B 型矢量网络分析仪对设计的天线进行测试，其结果见图8和图9。图8 给出了天线反射系数的测试结果。在12．4～13．5GHz频带范围内，天线的反射系数低于-10dB，相对带宽为8．5%；在12．52～13．05GHz频带范围内，反射系数低于-14dB。图9给出了天线的E面和H 面归一化方向图测试结果。在12．5～13．5GHz的频率范围内，天线最大增益的测试结果为6．6dBi。

通过与仿真结果比较（见图8）可以看出：反射系数曲线的变化趋势基本一致；测试到的阻抗带宽为1．1GHz，要小于仿真得出的4．2GHz；其谐振点位置有所偏移，仿真结果与实测结果吻合较好。由图9可知：方向图的仿真结果与测试结果基本吻合；测试中H 面的不圆度较仿真要大。其中，后者是由两方面原因造成的：①天线仿真时选取的材料均为理想导体和理想介质，而实际所选用的基片材料是有耗介质；②介质板的相对介电常数不均匀。经测试分析发现，最大增益的测试结果较仿真结果小0．4dB。

图8 天线反射系数测试结果与仿真结果对比Fig．8 Simulated and measured results of antenna reflection coefficient

图9 天线方向图测试结果与仿真结果对比Fig．9 Simulated and measured results of antenna radiation patterns

5 结论

本文提出了一种新型CPW 交叉耦合馈电印刷天线，同时满足宽频带、高增益和H 面全向特性，通过调整天线单元尺寸及间距，可以对其通频带中心频点位置和频带宽度进行控制。设计出了工作在Ku频段的天线样机，实测结果与仿真结果吻合较好。其中：反射系数低于-10dB 时的阻抗带宽为1．1GHz，相对带宽为8．5%；H 面具有很好的全向性，最大辐射方向增益大于6．6dBi。在仿真的基础上，针对性地提出了一种等效电流阵列模型，可以很好地解释天线的辐射特性。本文设计的天线尺寸小，易于加工和调试，是一种具有广泛应用前景的新型宽带高增益全向天线。

致谢

在本文的研究中，德国CST公司设在中国东北区的培训中心提供了CST MWS®软件支持，在此深表谢意。

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