一种基于紧耦合技术的小型超宽带阵列天线*

陈 珊，刘运林

0 引 言

超宽带技术抗多径效应，且系统结构简单、成本低、数据传输率高、系统容量大等，被广泛应用于无线通信和雷达系统。2002年，美国联邦委员会（FCC）批准将3.1～10.6 GHz作为民用通信频段，自此超宽带天线作为其不可或缺的部分得到了广泛关注。

经过多年发展，出现了多种多样的超宽带天线，包括喇叭天线、vivaldi天线、对数周期天线和蝶形偶极子天线等[1-3]。分形天线一直是偶极子天线单元的常用结构。文献[4]中，多次迭代的科赫天线具有良好的宽带特性。文献[5]中，利用锥形结构的不平衡巴伦弥补偶极子的不平衡电流，同时接地面电流与辐射面相反，使偶极子天线能产生最大辐射。文献[6]提出了一种带宽在2～3 GHz的宽带天线，由高阻抗表面（HIS）和蝶形偶极子天线构成。文献[7]提出了一种水平极化全向天线，12个偶极子单元边缘重叠放置形成一个圆环以产生强耦合，利用一列置于偶极子周围引向元来提高天线在水平面的辐射，其工作频带达到了70.2%（1.7～3.54 GHz），覆盖了整个2G/3G/LTE频带。文献[8]中提出了一种由双偶极子单元组成的紧耦合偶极子阵列，可将影响带宽的共模谐振移出工作频带范围，阵列带宽达到3∶1（3～9 GHz）。

基于以上研究可见，偶极子天线本身具有较宽的宽带特性、结构简单、极化特性较佳、易于组阵等优点。因此，本文以蝶形偶极子天线为基础，结合弯折偶极子臂等方式，有效减小天线尺寸，利用三维电磁仿真软件HFSS对其进行仿真优化，获得了超宽带、低交叉极化等特性。

1 紧耦合技术原理

与传统天线阵不同的是，紧耦合阵列天线单元间距很小，因此单元末端会产生较强耦合电容。它的结构示意图和等效电路图如图1所示。将接地面看做长度为h的传输线，其特性阻抗为ZGP，偶极子单元等效电感为L，单元间的互耦电容为C，那么天线单元输入阻抗为：

其中η0=120π Ω为自由空间波阻抗。在低频段，天线单元间产生的强耦合电容可与天线本身电感及由接地产生的感抗ZGP相抵偿，使天线输入阻抗相位在宽频带范围内有较小变化，最终实现超宽带，同时由单元间的紧密排列实现小型化。

图1 紧耦合偶极子天线阵列

2 天线结构设计

蝶形偶极子天线是超宽带天线中常用的一种天线形式。本文在蝶形偶极子的基础上改进单元结构，采用紧耦合技术拓展其带宽。如图2所示，将蝶形偶极子天线加载在一块相对介电常数为3、厚度为8.4 mm的Rogers RO3003介质基板上。改进后的天线以上述蝶形偶极子天线为基础，将其偶极子臂末端纵向弯折，折叠高度为0.51 mm，其平面尺寸不变，如图3所示，天线单元间隔d=0.1 mm，尺寸大小为W×L（W=8 mm，L=88.6 mm）。为方便研究，将两种偶极子单元天线分别简单地进行一维线性排列组阵，组阵方式如图4所示。天线的尺寸参数如表1所示。

图2 平面偶极子天线单元结构

图3 改进后的偶极子天线单元结构

图4 组阵示意

表1 天线尺寸

3 仿真结果分析

利用三维电磁仿真软件对天线的各项性能指标进行仿真，如回波损耗、辐射方向图以及增益变化等，并分析研究改进结构对天线性能的影响。

首先，对平面蝶形偶极子天线进行仿真研究，其单元天线的电压驻波比曲线如图5（a）所示，其阻抗带宽为8.32～9.83 GHz。采用简单的一维紧耦合组阵方式后，阵列天线的电压驻波比如图5（b）所示，其阻抗带宽为5.87～11.56 GHz（65.29%）。由此可见，通过紧凑排列组阵后，天线的频带宽度大幅增加。与传统天线阵列避免单元互耦效应不同，由于天线单元间紧密排列，单元间产生耦合电容，将与天线本身电感、接地面引入的电感分量相抵消，从而展宽带宽。

图5 驻波系数仿真结果

在上述天线单元的基础上，对其振子臂进行折叠改进后，其单元天线的电压驻波比曲线如图5（a）所示，其阻抗带宽为8.27～9.88 GHz。将其进行一维线性组阵后，如图5（b）所示，其工作频带范围为4.08～12.43 GHz（3.05∶1）。与平面偶极子天线相比，改进后的单元天线的带宽改变较小，但经过紧耦合组阵后，其频带宽度明显拓宽。可见，改进后的折叠振子臂对阵列天线带宽有很大的拓宽作用。由于对单元天线臂在竖直方向上进行折叠，组成阵列后，其单元间的互耦作用相较于平面阵列大大增强，因此单元间的耦合电容增大，从而展宽工作频带。由图5（b）可知，展宽频带效果在低频段更为明显，与紧耦合技术原理相符合。同时，由图6的史密斯圆图可以看出，偶极子阵列天线通过改进，其阻抗匹配谐振点增加。

图6 S11史密斯圆图

改进后的一维天线阵列的E面和H面的主极化与交叉极化方向图，分别如图7、图8所示。可知，交叉极化电平隔离度高于50 dB，具有较好的极化特性，H面具有全向辐射特性。阵列的增益随频率变化曲线如图9所示，可见天线具有较稳定增益，增益范围为4.8～9.9 dB。

图7 E面方向图

图8 H面方向图

图9 增益随频率变化曲线

4 结 语

本文采用紧耦合技术将偶极子天线单元紧密组阵，对平面偶极子振子臂末端进行纵向折叠，使天线单元间耦合增强，展宽天线带宽。这种方式使天线具有较小尺寸，同时具有宽频工作的性能。改进后的紧耦合阵列天线阻抗带宽为4.08～12.43 GHz（3.05∶1），且具有较高增益，如在7.4 GHz时达到了9.9 dB；E面具有双向辐射特性，在H面具有全向辐射特性；同时交叉极化隔离度高于50 dB，具有较好的极化特性，可用于超宽带通信。

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