基于随机点阵提升天线增益的研究

谷喜莹，陈　星

(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065)



基于随机点阵提升天线增益的研究

谷喜莹，陈星

(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065)

摘要增益是天线研究的重要指标，通过许多不同的方法来提高天线增益，提出了一种全新技术来提升天线增益。以矩形贴片天线为例，在矩形贴片四周排布由若干金属或空气介质小矩形块构成二维随机点阵列结构，通过遗传算法优化点阵结构，从而提高矩形贴片天线增益。设计了一款工作频点为5.8 GHz的矩形贴片天线，增加随机点阵结构后，该天线增益由7.76 dBi提高到10.32 dBi，口径效率由51.30%提高到91.71%，|S11|<-10 dB相对阻抗带宽提高了1.59%。随机点阵结构的提出为提升天线增益提供了一种新思路。

关键词微带天线；随机点阵；遗传算法；增益

0引言

在无线通信[1]、遥测遥感和雷达[2]等应用中，天线作为信号的发射和接收装置扮演着极其重要角色。增益[3]是天线的一个重要指标，在许多工程应用中经常采用多种技术提高天线增益，常用技术包括：利用平板、角锥和抛物曲面等金属反射面[4]；多个天线单元组成阵列天线[5]；八木天线[6]等增加引导和反射振子；在天线前方加载介质透镜[7]；利用超材料(Metamaterials)[8]等设计天线覆层等。这些技术在高增益天线的设计中已得到了普遍应用。但是这些方法中都存在着一些不足，在阵列天线中需要使用功分网络，不但设计复杂，而且会随着阵列单元的增多导致天线的辐射效率的降低；增加反射面或者覆盖层的方法都会使天线的体积和重量增大，不易实现天线的小型化[9-10]。

本文将探索一种新的天线增益提高的新技术，即在天线四周排布随机的二维点阵结构，该二维点阵结构由若干金属或空气介质小矩形块随机[11]组成，利用天线与点阵结构互耦[12]，修正天线表面电流分布，从而提高天线增益。本研究内容将为天线设计提供一种新的方法来提高天线增益。

1矩形贴片源天线设计

以一款工作频点为5.8 GHz矩形贴片天线[13]为例，利用随机点阵结构提升天线增益。如图1所示，该矩形贴片天线[7]制作在相对介电常数为2.55、厚度为2 mm、长和宽都为50 mm的高频基板上，天线的矩形辐射贴片长为14.6 mm，宽为14 mm，采用SMA接头顶馈结构，馈电点离贴片边缘距离为4.4 mm。

图1　矩形贴片线示意

该矩形贴片天线的回波损耗和方向图数值仿真结果如图2和图3所示。

图2　矩形贴片天线回波损耗曲线

图3　矩形贴片天线方向图

从图2和图3中可知，该天线的|S11|<-10 dB相对阻抗带宽为为4.82%(从5.67～5.94 GHz)，在工作频点5.8 GHz处，天线增益为7.76 dBi，相对应的口径效率为51.30%，而天线旁瓣为-17.28 dB。

2排布随机点阵结构的矩形贴片天线

为提高天线增益，对设计的矩形贴片天线周围排布随机点阵结构[14]，如图4所示。

图4　四周排布随机点阵结构后的矩形贴片天线

随机点阵结构上的高自由度为提高天线增益提供了可行性，但也很大程度上增加了天线设计的复杂度。为减小设计难度，矩形贴片天线四周的随机点阵结构采用沿水平和垂直中心线对称的结构，因此只有1/4随机点阵方形块需要进行设计[15]。

随机点阵的每一个方形小块边长取5 mm，包括矩形贴片天线和随机点阵在内的整个高频基板尺寸固定为50 mm×50 mm，因此整个高频基板可容纳10×10=100个随机点阵方块。除去矩形贴片占据的区域和考虑的对称性，需要将21个方块设计为金属或介质属性。

本文利用CST软件进行建模仿真。通过VB宏编程控制CST软件的建模以及仿真的过程，所以通过程序改变这21个方块的属性，利用21位二进制数表示：其中0代表属性为金属，1代表空气介质，所以只要将这21位的二进制数进行优化即可得到天线的最大增益。

为了求解天线的最大增益采用优化算法进行优化。本文采用遗传算法[16]，因为遗传算法具有良好的隐并行性和全局搜索能力，是常用的工程优化方法之一。将二进制数作为遗传算法的个体，适应度函数为Fitness=Gain+Flag，其中Gain为天线增益大小，Flag为判断值0或者1，当天线在5.8 GHz、带宽大于4.66%且旁瓣小于-12 dB时，Flag=1，否则Flag=0。可以看到，遗传算法是以天线获得最大增益同时兼顾天线在5.8 GHz阻抗匹配为目标进行优化的。遗传算法调用CST的过程为：先将遗传算法需要优化的参数写入到一个文档中，这里为了方便区分命名为input.txt。当优化过程中需要计算个体的适应度值的时候，算法会自动调用VB程序运行CST软件，并且读取input文档中的参数进行计算，当CST计算完毕的时候会将计算的结果写入到另外一个为output.txt文档中，最后在算法中直接读取output文档的结果，并且完成适应度值的计算过程，用来提供优化算法的适应度值的分析，这就完成了遗传算法对CST的调用过程。

3天线仿真和测试结果

对遗传算法优化设计采用的随机点阵结构矩形贴片天线进行了加工制作，对该天线进行了回波损耗和方向图测试，测试结果与仿真数据的对比如图5、图6和图7所示。

图5　随机点阵天线回波损耗曲线

图6　随机点阵天线方向图(E面)

从图5、图6和图7可以看出，该天线的测试和仿真结果吻合良好。在采用随机点阵结构后，天线的|S11|<-10 dB相对阻抗带宽为6.41%(从5.59～5.96 GHz)，比原矩形贴片天线提高了1.59%。随机点阵结构对天线增益提高非常显著，在工作频点5.8 GHz处，天线增益由原来的7.76 dBi提高到10.32 dBi，增加了2.56 dB。随天线增益提高，天线口径效率由原来的51.30%提高到91.71%，而天线旁瓣为-16.27 dB。

图7　随机点阵天线方向图(H面)

4结束语

针对提高天线增益，本文提出了一种新方法，即在天线四周排布由若干金属/介质小块组成的二维随机点阵。以一款工作频率5.8 GHz矩形贴片天线为例，在其四周排布10×10个，边长为5 mm的随机点阵，并利用遗传算法对随机点阵进行优化设计。仿真和测试表明，随机点阵能够显著地提升贴片天线增益。在工作频点5.8 GHz处，天线增益由原来的7.76 dBi提高到10.32 dBi，天线口径效率因此由原来的51.30%提高到91.71%。本文提出的随机点阵结构为天线设计中提高增益提供了一种新的思路和方法。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.14

收稿日期：2016-03-03

中图分类号TN820.1

文献标志码A

文章编号1003-3106(2016)07-0052-04

作者简介

谷喜莹女，(1988—)，硕士研究生。主要研究方向：天线设计、智能优化算法。

陈星男，(1970—)，博士，教授。主要研究方向：天线设计、并行计算、电磁场数值计算和微波成像等。

Antenna Gain Improvement Based on Random Fragmented Element Array

GU Xi-ying,CHEN Xing

(CollegeofElectronicsandInformationEngineering,SichuanUniversity,ChengduSichuan610065,China)

AbstractAs an important indicator of antenna research,gain is of important significance,and many different methods are proposed to improve it.A novel method of enhancing antenna gain is proposed and studied in this paper.A rectangular patch antenna is taken as example.The antenna is surrounded by 2D fragmented elements,each of which is randomly assigned either conducting or non-conducting property,and is optimized by genetic algorithm,so a higher gain is achieved.A rectangular patch antenna operating at 5.8 GHz is designed.By attaching a random fragmented element array,its gain increases from 7.76 dBi to 10.32 dBi,and correspondingly its aperture efficiency increases from 51.30% to 91.71%,meanwhile its |S11|<-10 dB impedance bandwidth increases by 1.59%.The random fragmented element array proposed in this paper provides a new idea for antenna gain improvement.

Key wordsmicrostrip antenna;random fragmented element array;genetic algorithm;gain

引用格式：谷喜莹,陈星.基于随机点阵提升天线增益的研究[J].无线电工程,2016,46(7):52-55.