一款超宽带天线研究*

王一帆，廖 成

0 引 言

随着通信系统和移动平台的发展，社会对超宽带天线的需求不断增加。但是，如Vivaldi等类型尺寸较大的天线设计受到空间布局要求的严格限制，而平台背面接地板往往是限制如螺旋天线、单级子天线等天线性能的重要因素，导致天线的阻抗带宽变窄，难以实现超宽带。

除此以外，传统超宽带天线的设计往往难以避免天线间互耦效应带来的辐射性能恶化。为了解决这个问题，需要设计对应的去耦网络，而这将使得整个天线阵列的设计复杂、体积较大。

紧耦合天线阵列（Tightly Coupled Array，TCA）的出现很好地克服了传统超宽带阵列设计的一些限制[1-2]。TCA可以有效利用阵元间重叠部分的互耦作用，通过抑制天线单元末端表面电流的衰减来展宽天线频带，同时有效减小天线阵的整体尺寸，避免复杂去耦网络的设计。尽管TCA可以实现多倍程的带宽，但当与接地板的距离为工作波长的一半时会出现短路点，将限制其阻抗带宽的拓展。结合电阻型频率选择表面，可以改善反射地板造成的天线性能恶化，进一步拓展阻抗带宽。

本文将紧耦合偶极子天线单元与方环形阻性频率选择表面相结合，设计了一款多层结构的超宽带TCA，并分析各参数对天线性能的影响，最终实现超宽带。该多层结构的TCA具有超宽带、体积小的特点，对超宽带阵列的设计有一定的参考价值。

1 TCA设计

1.1 TCA设计原理

TCA是基于Wheeler提出的电流面理论[3]设计的，其结构示意图及等效电路如图1所示。天线阵列周期为d，距接地板高度为h，TCA天线单元间产生的耦合电容为C，天线单元的等效电感为L。天线单元的输入阻抗为：

其中η0=120π Ω为自由空间波阻抗。在低频段，强耦合电容C可补偿接地板产生的感性电抗ZGP，因而可以展宽其阻抗带宽，最终实现超宽带和小型化。

图1 TCA结构及其等效电路

1.2 TCA结构设计

本文以偶极子天线为原型进行设计，在天线背面添加两个方形的紧耦合结构，如图2所示。该结构与偶极子天线产生耦合效应，调节结构的宽度可以改变耦合电容的大小。图3和图4给出了两个重要参数对天线阻抗带宽的影响。从图3、图4结果可以看出，当左侧紧耦合结构宽度Ld的尺寸增大时，天线的驻波比系数大大增加；当右侧紧耦合结构宽度Ld2小于2.5 mm时，随着尺寸的增大，天线的阻抗带宽变宽，但当尺寸大于2.5 mm时，阻抗带宽又进一步恶化。综上，最后选择的紧耦合结构宽度为1 mm、2.5 mm。

图2 TCA天线正面和背面结构

图3 紧耦合结构Ld对TCA阻抗带宽影响

图4 紧耦合结构Ld2对TCA阻抗带宽影响

2 RFSS设计

2.1 RFSS设计原理

当电磁波正入射时，电场激励共面垂直的金属环间隔缝隙感应形成等效电容，磁场激励共面垂直的金属线感应形成等效电感，如图5所示。间隔的金属环等效为串联的LC电路，正交的金属栅格等效为电感。根据传输线理理论，可以计算等效电抗与物理尺寸之间的关系[4-5]。它的反射系数Γ可以表示为：

其中Y0是自由空间导纳，Yin是吸收器的输入导纳。Yin可以写为：

其中RLC枝节导纳中的虚部和实部为：

式 中Y0i=i =1,2,3,4)，εr1=εr3=2.2，εr2=εr4=1，ω=2πf。

图5 频率选择表面的等效电路

2.2 RFSS结构设计

本文设计的TCA出现短路点，限制了阻抗带宽的拓展。为了解决这一问题，本文利用方环形电阻型频率选择表面有效抑制接地板的影响。利用上述原理建立对应的等效电路，如图6所示。将介质层与空气层等效为两段传输线，其中介质层厚度为h1、空气层厚度为h2（代表RFSS与地板的间距），金属环结构等效为串联的LC电路。RFSS的结构如图7所示，由电阻、介质基片及地板构成。

图6 方环形RFSS的等效电路

图7 方环形频率选择表面结构

图8 给出当RFSS离接地板高度发生变化时，天线的S11参数结果。可以得知，随着高度增加，S11的值变大，阻抗带宽变宽，曲线相对更平滑；但当高度大于7.5 mm时，对应的阻抗带宽反而变小。综合来看，选择高度为7.5 mm较合适。

图8 S11参数随离接地板高度Hg变化结果

图9 给出了当介质层厚度变化时，天线的S11参数结果。可以发现，介质层越厚，对应的S11参数值越大，阻抗带宽越宽；但厚度大于2.0时，阻抗带宽反而变小。综合来看，选择介质层厚度为1.8 mm合理。

方环结构的宽度影响LC值的大小，图10给出了不同宽度对应的天线S11参数。随着宽度增大，S11变大，阻抗带宽减小，故选择宽度为1 mm可以很好地实现RFSS的性能。

图9 S11参数随介质厚度变化结果

图10 S11参数随方环宽度变化结果

2.3 TCA单元设计与分析

图11 （a）为加载方环结构RFSS前的天线单元结构图，图11（b）为加载后天线单元的结构图，其由偶极子单元、介质匹配层、方环RFSS和接地板四部分组成。

图11 天线结构

设置无限周期边界条件对加载RFSS前后的天线单元进行仿真，得到的仿真结果对比如图12所示。从图12可以看出，加载RFSS后，其有效抑制了地板反射，使得4.2～6 GHz频率范围内的天线辐射性能极大改善，从而增加了天线的阻抗带宽。最终，天线单元在驻波比小于2时，工作频段能够覆盖0.8～7.6 GHz。超宽带紧耦合天线的方向图如图13所示。

图12 加载RFSS前后天线驻波系数对比结果

图13 天线单元E面和H面方向图

3 结 语

本文以紧耦合天线基本理论与电阻型频率选择表面等效分析方法为基础，以微带偶极子天线为辐射单元，设计了一款基于方环形频率选择表面紧耦合超宽带天线，并分析各参数对天线性能的影响以及加载频率选择表面前后无限周期阵列的驻波特性。最终，天线单元在驻波比小于2时，工作频段能够覆盖0.8～7.6 GHz。该天线单元不仅具有超宽带特性，还有结构紧凑、易共形的特点，在超宽带阵列天线中具有良好的应用前景。

[1] Jonathan P D,Kubilay S,John L V.A Wideband,Wide Scanning Tightly Coupled Dipole Array with Integrated Balun(TCDA-IB)[J].IEEE Trans. Antennas Propag.,2013,61(09):4538-4548.

[2] Steven S,Holland,Daniel H S,et al.A 7-21GHz Dual-polarized Planar Ultra-wideband Modular Antenna(PUMA) Array[J].IEEE Trans. Antennas Propag.,2012,60(10):4589-4600.

[3] Harold A W.Simple Relations Derived from a Phasedarray Antenna Made of an Infinite Current Sheet[J].Antennas and Propagation,1965,13(04):506-514.

[4] Langley R J,Parker E A.Double-square Frequencyselective Surfaces and Their Equivalent Circuit[J].Electronics Letters,1983,19(17):675-677.

[5] Langley R J,Parker E A.Equivalent Circuit Model for Arrays of Square Loops[J].Electronics Letters,2007,18(07):294-296.