基于多种馈电方式的毫米波微带天线对比研究*

谭宗胤，李平辉

（陆军工程大学，江苏 南京 210007）

0 引言

近年来，随着各类智能终端设备的普及，高速率数据传输和宽频带通信的需求与日俱增。面对低频段频谱资源稀缺问题，毫米波凭借其带宽资源丰富、兼具微波与远红外波特性等优点，得到了人们的广泛关注。该频段大量未开发的频谱资源将极大地满足第5 代移动通信的需求。此外，作为无线通信的重要组成部分，天线的性能将直接影响通信的整体质量。基于它成本低、加工方便且易于集成等优点，微带天线备受青睐[1-2]。

微带天线有3 种常用的馈电方式[3-4]：微带线馈电、同轴馈电和耦合馈电。不同馈电方式的选取对微带天线的性能将产生不同的影响。针对不同馈电方式造成的性能差异，本文以毫米波微带贴片天线为研究对象，对比分析了嵌入馈线馈电[5-6]、同轴馈电、耦合馈电[7-11]以及探针耦合馈电4 种馈电方式对天线各项性能的影响。

1 矩形微带贴片天线模型结构

根据矩形微带天线设计公式[5]，确定工作在28 GHz 的矩形微带贴片天线的贴片尺寸为宽W=4.24 mm、长L=3.47 mm。该微带天线的衬底材料为Rogers RT/duroid 5880，介电常数εr=2.2，损耗正切tanδ=0.000 9，衬底尺寸为W0×L0＝15 mm×15 mm，衬底厚度为0.254 mm。嵌入馈线馈电和同轴馈电天线采用单层衬底，耦合馈电、探针耦合馈电天线贴片印制在每层厚度相同的双层衬底上。

1.1 嵌入馈线馈电方式

图1 给出了嵌入馈线馈电微带贴片天线的结构。该天线直接利用与贴片位于同一平面上的微带线进行馈电，微带馈线宽度Wf为0.73 mm，馈线与贴片相接处嵌入贴片内部，与贴片边缘距离为Y0，具体尺寸如表1 所示。

图1 嵌入馈线馈电微带贴片天线俯视图

表1 嵌入馈线馈电微带贴片天线优化结构尺寸

1.2 同轴馈电方式

该天线采用传统的同轴馈电方式，图2 给出了其结构示意图，Wf为馈电点与贴片上边缘的距离，具体尺寸见表2。

图2 同轴馈电微带贴片天线俯视图

表2 同轴馈电微带贴片天线优化结构尺寸

1.3 耦合馈电方式

采用微带耦合馈电的天线结构如图3 所示，采用双层衬底且两层厚度相同，均为0.254 mm。矩形贴片位于上层基板上方，微带馈线位于上层衬底和下层衬底之间，地板位于下层衬底下方。为了实现阻抗匹配，在微带馈线上插入了一个小矩形调谐结构。微带馈线与贴片和地板均不接触。耦合馈电微带贴片天线优化结构尺寸如表3 所示。

图3 耦合馈电微带贴片天线

表3 耦合馈电微带贴片天线优化结构尺寸

1.4 探针耦合馈电方式

图4 展示了采用探针耦合馈电的微带贴片天线的结构示意图。该天线在上述采用耦合馈电方式的基础上，在微带馈线末端插入金属探针，与贴片接触。探针耦合馈电微带贴片天线优化结构尺寸，如表4 所示。

图4 探针耦合馈电微带贴片天线

表4 探针耦合馈电微带贴片天线优化结构尺寸

2 仿真结果对比

对于初始同尺寸的微带贴片天线，当采用嵌入馈线馈电、同轴馈电、耦合馈电以及探针耦合馈电方式时，其谐振频率分别为28 GHz、30.4 GHz、26.31 GHz 以及28.8 GHz，如图5 所示。使用HFSS 进行仿真，优化天线尺寸，调整谐振频率为28 GHz。天线输入阻抗主要受馈线嵌入贴片的长度Y0和贴片宽度W影响。随着Y0增大，谐振频率减小，如图6 所示；图7～图9 显示随着W增大，谐振频率减小。

图5 贴片初始尺寸S11 对比

图6 嵌入馈线馈电天线谐振频率随Y0 变化

图7 同轴馈电天线谐振频率随W 变化

图8 耦合馈电天线谐振频率随W 变化

图9 探针耦合馈电天线谐振频率随W 变化图

2.1 反射系数（S11）

经过结构尺寸优化，当谐振频率为28 GHz 时，嵌入馈线馈电天线中Y0=1.24 mm，S11值为-25.05 dB，-10 dB 阻抗带宽为600 MHz，从27.72 GHz到28.32 GHz；同轴馈电天线W=2.95 mm、L=4 mm，S11值为-11.79 dB，-10 dB阻抗带宽27.8～28.25 GHz，绝对带宽450 MHz；耦合馈电微带贴片天线W=7.068 mm，S11值为-39.98 dB，-10 dB 阻抗带宽为1.42 GHz，从27.25 GHz 到28.67 GHz；探针耦合馈电微带贴片天线W=5 mm，S11值为-16.47 dB，-10 dB 阻抗带宽27.27～28.79 GHz，绝对带宽1.52 GHz，如图10 所示。

图10 4 种馈电方式S11 对比

2.2 辐射方向图

天线在28 GHz 处的E 面方向图和H 面方向图对比如图11 和图12 所示。分别采用嵌入馈线馈电、同轴馈电、耦合馈电以及探针耦合馈电方式的天线方向图增益分别为8.68 dBi、8.17 dBi、7.56 dBi、8.39 dBi。可见，4种馈电方式的方向图增益相差不大。图13 和图14 显示了交叉极化方向图对比，采用4 种馈电方式的E 面最大交叉极化电平均小于-40 dB，H 面最大交叉极化电平均小于-27 dB，其中耦合馈电方式由于双层介质边缘效应以及微带馈线与辐射贴片之间存在的寄生耦合，导致交叉极化水平较高。

综上所述，表5 总结了4 种馈电方式对天线各项性能的影响对比。

图11 E 面方向图对比

图12 H 面方向图对比

图13 E 面交叉极化方向图对比

图14 H 面交叉极化方向图对比

表5 仿真结果对比

3 结语

本文对比研究了采用嵌入馈线馈电、同轴馈电、耦合馈电和探针耦合馈电4 种馈电方式对微带贴片天线性能的影响。采用嵌入馈线馈电和同轴馈电天线带宽较窄，采用耦合馈电和探针耦合馈电方式天线带宽较宽，但增益与其他两种方式差距不大。通过对比，采用嵌入馈线馈电和耦合馈电微带贴片天线综合性能更好。为了更好地应用于通信系统，采用嵌入馈线馈电的贴片天线阻抗带宽有待进一步提高，采用耦合馈电的贴片天线增益有待进一步提高。此外，设计优化各种馈电网络以实现天线高性能的方法还有待进一步研究。