一种双频层叠H型缝隙微带阵列天线的设计及分析

张佳伟 张建宇 黄亮 姚斌

摘 要：为满足双频双方向的工作要求，文章设计了一款双频层叠H型缝隙微带阵列天线。采用基板—空气—基板3层结构及同相并馈功分网络馈电结构，在减小尺寸的同时实现阻抗的更优匹配。采用H型缝隙结构、错位双阵列八阵元结构实现双频双方向辐射特性。仿真结果显示，天线在2.8 GHz和3.9 GHz两个工作频段增益为12.4 dB。中心频率为3.9 GHz时，|S11|<-10 dB，带宽为130 MHz。中心频率为2.8 GHz时，|S11|<-10 dB，带宽为100 MHz。

关键词：H型缝隙；微带阵列天线；双频；双方向

考虑到空气动力学的影响，高速飞行器难以在其外部架设天线。微带缝隙天线具有体积薄、易共形等特点，易于集成在飞行器内部，从而在飞机、导弹等高速飞行器上得到了广泛应用。然而，随着无线通信的飞速发展，高速、多方向性通信成为新的发展要求，而微带天线带宽窄、方向性单一等局限性却极大制约了其在无线通信中的应用。

为了增加微带缝隙天线的增益、带宽、辐射角度等，众多学者做出了努力。Das等[1]在单个贴片上蚀刻H型缝隙，获得了较宽的带宽和更为稳定的辐射模式。Abutarboush等[2]在H型平面微带贴片天线背面增加圆形贴片的办法，进而达到与矩形接地平面缝隙耦合，最终实现阻抗匹配，并能工作在多个频段。Ramli等[3]设计了一种孔径耦合可重构微带层叠阵列天线。通过控制二极管开关的状态实现底层馈电系统的改变，从而调整上层辐射天线的馈电位置，最终实现在多频段、多方向工作的效果。邾志民等[4]利用蝶形微带贴片代替传统的矩形贴片，并在普通的矩形缝隙两边开槽形成H型缝隙，达到了增加带宽的作用。赵勇[5]设计了一款交叉口径耦合馈电的天线模型，此种馈电方式比较易于产生圆极化波，而且其阻抗匹配以及频带宽度等方面都可以获得比较理想的结果，满足小型化、宽频带以及增益等方面的需求。孙琪等[6]设计了一种减速透镜天线，其辐射单元为微带贴片天线，通过双H型槽耦合馈电，采用不同的介质材料对束散角进行不同程度的压制，使得天线的增益进一步提高。冯理等[7]设计了一种口径耦合的小型四单元短路贴片天线阵，采用短路面加载辐射贴片，使单元贴片天线长度缩小一半，实现了高增益、小型化和定向辐射。

上述研究成果在一定程度上从增益、带宽、辐射角度、小型化4个方面提高了缝隙天线的性能，但整体天线性能还有提高的可能。本文利用特定阵列结构及空气间隙结构设计，设计了一款双频层叠H型缝隙微带阵列天线。利用高频电磁场仿真软件（High Frequency Electromagnetic Field Simulation Software，HFSS）对天线的方向性、回波损耗、增益进行了仿真分析，结果表明，本天线在保证双频工作的基础上具有更低的回波损耗和更好的方向特性。

1 天线设计

本文所设计的双频层叠H型缝隙微带阵列天线结构如图1和图2所示。本天线采用错位双阵列八阵元结构，在实现双方向辐射的同时（左边四单元贴片向左辐射，右边四单元向右辐射），达到了更优的阻抗匹配，使得天线的回波损耗减少了一半。天线整体结构分为3层，上下两层为RT-Rogers5880基板，中间为空气层，顶层基板附贴着8个阵元贴片天线，下层基板的底面为天线的馈电层，顶面为H型缝隙耦合层，激励在下层基板的侧面，中间为了增加了一层空气层以实现阻抗匹配。层叠结构把作为辐射单元的无源贴片堆叠在天线顶部，具有高增益、宽带宽的特点。孔耦合馈电技术可以用于减少辐射元件与馈电线之间的杂散辐射。空气间隙结构可以实现更优的阻抗匹配，增加天线的增益[8]。采用两组错位的H型缝隙天线结构（见图2），使天线能够同时在两个方向上进行定向辐射。

天线工作时，下层馈电电路通过电磁能量耦合，将电磁波从馈电电路的末端辐射出去，透过H型縫隙传入阵元贴片，最后将信号辐射出去。

2 天线单元参数

天线设计参数如图3和图4所示。长宽分别为Ls=270 mm，Ws=195 mm，顶部基板厚度为t1=1 mm，空气层厚度t2=6 mm，底部基板厚度t3=0.787 mm，基板均采用roger-5880板。顶部辐射贴片采用八阵列矩形金属贴片构成，贴片长度L=30 mm，贴片宽度w=20 mm，贴片间的中心距离为d1=d2=88 mm。这样的倒镜像阵列结构设计可以在保证天线增益的前提下，让天线同时向两个方向辐射信号。

天线底部基板的上层为H型缝隙层，下层为馈电层。H型缝隙参数如图5所示。馈电层的馈电结构采用同相并馈功分网络（见图6），即采用多个将一端分成两路的T形接头，依次分为两路，直到总分端数等于阵元数。因为单元天线在工作频段内的输入阻抗变化在50 Ω附近，用分支为70.7 Ω的T型接头可以保证阵元贴片与馈电线的阻抗匹配[7]。

3 仿真结果及分析

利用HFSS对本文天线模型进行仿真计算，得到了回波损耗数据（见图7）。当天线的工作频率为3.9 GHz时，回波损耗为-20.2 dB，带宽为100 MHz，当天线的工作频率为2.8 GHz时，回波损耗为-18.1 dB，带宽为130 MHz，天线回波损耗已经达到设计要求。本文天线和传统四阵列天线（见图8）的回波损耗图（图7和图9）数据对比显示，采用本文的设计后，天线的回波损耗在2.8 GHz时从-6.44 dB降低到了-18.12 dB，在3.8 GHz时从-10.27 dB降低到﹣20.24 dB。

本文天线和传统四阵列天线的增益方向图如图10和图11所示。对比结果显示，本文天线在保证增益（增益值为12 dB）的前提下，增加了一个辐射方向（-30°和30°方向），实现了天线的双角度定向辐射。

4 结语

本文所设计的双频层叠式H型缝隙阵列天线，可以工作在2.8 GHz和3.9 GHz两个频段。在天线的设计中融合了层叠结构、H型缝隙结构、错位双阵列八阵元结构等设计理念，在满足增益要求的前提下，实现了双频率、双方向的辐射特性。仿真结果表明：天线在2.8 GHz和3.9 GHz两个工作频段增益为12.4 dB；中心频率为3.9 GHz时，|S11|<-10 dB，带宽为130 MHz；中心频率为2.8 GHz时，|S11|<-10 dB，带宽为100 MHz。

[参考文献]

[1]DAS A，MOHANTY M N，MISHRA R K.Optimized design of H-slot antenna for bandwidth improvement[C].Bhubaneswar：IEEE Power，Communication and Information Technology Conference，2016：563-567.

[2]ABUTARBOUSH H F，AL-RAWESHIDY H S，NILAVALAN R.Bandwidth enhancement for microstrip patch antenna using stacked patch and slot[C].Shanghai：IEEE International Workshop on Antenna Technology，2009：1-4.

[3]RAMLI N，ALI M T，ISLAM M T，et al.Aperture-coupled frequency and patterns reconfigurable microstrip stacked array antenna[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation，2015（3）：1067-1074.

[4]邾志民，陳春红，吴文，等.Ka波段宽带H型缝隙耦合蝶形微带贴片天线设计[J].微波学报，2015（S2）：68-71.

[5]赵勇.采用口径耦合馈电的5.8GHz天线的设计[J].电子技术，2009（5）：15-17.

[6]孙琪，山岗，李荣.双H形缝隙18GHz透镜天线设计[J].电子科技，2014（8）：72.

[7]冯理，张权，李树.2.4GHz四单元微带贴片天线阵的设计与仿真[J].桂林电子科技大学学报，2010（1）：5-8.

[8]SADAT S，JAVAN S D S，HOUSHMAND M.Design of a microstrip square-ring slot antenna filled by an H-shape slot for UWB applications[C].Massachusetts：IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium，2007：705-708.