高阶模高增益贴片天线的分析与设计综述

洪凯东，张 晓，祝 雷，陈 哲，袁 涛

1)深圳大学电子与信息工程学院，广东省移动终端微波毫米波工程技术研究中心，ATR国防科技重点实验室， 广东深圳 518060；2)澳门大学科技学院，澳门 999078

随着无线通信技术的快速发展和各种无线通信产品的普及，无线通信系统对天线结构和性能的要求越来越高．贴片天线因其具有剖面低和易加工等优点被广泛用于各类无线通信设备中．然而，贴片天线的低增益特性也限制了它在中远距离无线通信中的应用[1]．为提高贴片天线的增益，近年来许多学者做了大量研究，提出了4种高增益技术．除了利用传统的阵列设计外，贴片天线高增益的技术大致可分为：① 寄生辐射单元技术[2-3]．通过在天线同一平面或上方引入额外的寄生单元来增大辐射面积．与传统阵列天线技术相比，这类天线不需要额外复杂的馈电网络，减少了馈电损耗．但是，这类天线通常都有剖面高和口径效率较低的缺点．② 部分反射表面技术．在天线上方覆盖一个面积较大的周期性结构[4]或高介电常数基板[5]，使其与底板构成一个Fabry-Perot谐振腔，通过腔内电磁波的多次反射增大天线的辐射面积．但是，这类天线的剖面过高，反射面离地板约半个波长，且带宽较窄．③ 短路加载技术[6-7]．通过在天线腔内电场较强的位置加载短路销钉，扰动贴片天线的场分布，在不改变贴片物理尺寸的情况下提高天线的谐振频率，有效增大了贴片谐振时的电尺寸．该技术可将单个贴片天线的增益提高至11 dBi左右，但最大可实现增益仍不够高．④ 高阶模谐振技术[8-31]．通过用高阶模代替低阶基模，使贴片天线获得更大的谐振尺寸．以矩形贴片天线为例，工作于TM03模时的辐射面积是它工作于TM01模时的9倍．相比前3种高增益技术，高阶模贴片天线维持了极低的天线剖面，单元辐射面积大，不需要额外的寄生结构就能实现高增益性能，能代替小规模阵列，简化了馈电网络并有利于提高天线的辐射效率，有重要的实用价值．

尽管高阶模贴片天线天然地有利于实现高增益，但也存在着一些固有的缺陷，如副瓣水平高和单模带宽窄等．近年来，越来越多的学者针对这些问题展开研究，本团队也提出了一系列改善高阶模贴片天线阻抗和辐射性能的分析与设计方法，本文将对国内外研究现状作全面的综述．

1 高阶模贴片天线的副瓣抑制技术

大多数高阶模贴片天线的辐射方向图具有较高的副瓣水平，其形成机理既可以从等效磁流模型的角度来分析，也可以从贴片表面电流分布的角度来理解．以矩形贴片天线为例，由两个辐射边产生辐射，可等效为两个磁流元构成的二元阵，当它们之间的距离大于1/2真空波长时，辐射副瓣开始出现．通常情况下，高阶模贴片天线两个辐射边之间的距离远大于1/2真空波长，因而副瓣电平较高．除此之外，从电流分布的角度来看，高阶模贴片表面的电流出现了反相分量，导致产生副瓣辐射．综合文献报道的副瓣抑制技术，大多是从这两方面出发，主要分为以下3类.

1.1 采用高介电常数基板

高阶模贴片天线产生高副瓣的主要原因是天线两辐射边之间的间距过大，因此抑制副瓣最直接的方法就是减小天线的电尺寸[8-9]．2016年，JUYAL等[8]提出，通过采用高介电常数的介质基板，在天线尺寸不变的情况下降低天线的谐振频率，从而减小了工作于TM12模的圆形贴片天线(图1(a))的电尺寸，可有效抑制天线的副瓣水平．如图1(b)，随着所采用介质基板的相对介电常数由1.00增至9.80，天线的副瓣电平逐渐降低，主瓣逐渐变宽．当相对介电常数取6.15时，副瓣电平降幅超过10 dB，方向系数大于10 dBi．然而，采用高介电常数的介质基板会使天线近场储能与耗能的比值Q升高，阻抗带宽会变窄，效率降低，这不利于天线在宽频带环境下的正常工作．

图1 工作于TM12模的高增益圆形贴片天线[8]Fig.1 The high-gain circular patch antenna under TM12 mode operation[8]

1.2利用寄生辐射抵消副瓣辐射

JUYAL等[10]以工作于TM13模的圆形贴片天线为例，通过引入寄生单元，提出利用基模和高阶模辐射分量相互抵消的办法抑制副瓣．图2(a)为高增益双模圆形贴片天线的结构，下层主贴片工作在TM13模，上层寄生贴片工作于TM11模．由图2(b)可知，TM13模辐射方向图有两个副瓣，且相邻两个瓣之间电平符号相反．上层贴片尺寸小，其辐射方向图没有副瓣，且主瓣电平极性保持不变．两天线同时激励时，两个贴片的远场分量作矢量叠加，其中，下层贴片TM13模的第1副瓣与上层贴片TM11模的主瓣反相抵消，有效抑制了高阶模的副瓣辐射，最终实现了高达13.79 dBi的高增益性能，远高于常规贴片天线，但该天线的相对带宽(绝对带宽除以中心谐振频率)仅1%左右．需要注意的是，由于两个模式的主瓣是同相叠加，主瓣宽度会有所增加．从等效磁流模型的角度来看，寄生辐射单元的引入会令相邻的两个辐射边之间的距离变小，改变阵列因子．

图2 高增益双模圆形贴片天线[10]Fig.2 The high-gain dual-mode circular patch antenna[10]

1.3 缝隙加载技术

缝隙加载也是一种简单而有效的抑制副瓣技术[11-17]．JUYAL等[11]认为，在圆形贴片中心加载缝隙可抑制TM12模圆形贴片天线的E面副瓣，并将加载的缝隙等效为一个磁流，该磁流产生的辐射和圆形贴片原来的辐射在远场作线性叠加，使天线E面上原来的副瓣辐射刚好被抵消．该技术的原理和1.2节所述寄生辐射抵消原理类似，但不需额外的寄生单元，在单个贴片上便可实现，因此更加简单．这种基于等效磁流的分析结果虽然能很好地解释和预测天线E面辐射方向图的变化，但却很难预测H面辐射方向图的变化情况．

本团队从贴片的表面电流分布角度入手，提出一种能同时实现天线E面副瓣抑制和H面波宽灵活可控的加载技术[12]．图3为贴片天线表面电流密度分布及其相应的E面和H面辐射方向图．如图3(a)，矩形贴片工作在TM03模时，其纵向电流分布和3/2波长对称振子类似，出现了3个半周期，并且中间半周期的电流反向，引起了E面副瓣辐射．若在贴片的中间x轴方向上加载矩形缝隙，中间部分的反向电流被截断，并紧紧耦合在缝隙周围，几乎不参与辐射，这有效抑制了E面的副瓣水平并增强了天线的辐射增益．同时，文献[12]的分析表明，缝隙分别加载在贴片中间和在贴片两端加载时，贴片的横向电流强度分布是完全不一样的．如图3(b)，当横向电流中间强两边弱时，H面波宽变宽；当横向电流两边强中间弱时，H面波宽变窄．因此，可通过调节中间和两端的矩形缝隙的长度去改变贴片横向的电流强度分布，从而获得不同波束宽度的H面方向图．这类天线具有结构简单和增益高的优点，缺点是带宽小于2%，仍然很窄．

图3 工作于TM03模的矩形贴片天线[12]Fig.3 Rectangular patch antenna under TM03 mode operation[12]

2 高阶模贴片天线的双频高增益设计方法

双频贴片天线能使两个或多个通信制式共用一个天线，有利于降低系统的复杂度，因此，在现代无线通信中的应用越来越广泛．为实现更好的信号覆盖，通常要求双频贴片天线在两个独立的工作频段都具有较高的增益和相似的波束宽度．但是，这样的设计难度较大，特别是当两个频段的频率比较大时，因为同一天线相对于两个频段的口径电尺寸是完全不同的，频段频率比越大，差异越明显，增益和波宽的差异也越明显．以下将从两方面对基于高阶模谐振的双频高增益贴片天线展开阐述．

图4 双频贴片天线Fig.4 Dual-band patch antenna

2.1 传统的双频贴片天线

传统的双频贴片天线设计通常是同时激励贴片天线的基模和高阶模，并且通过开路支节或矩形缝隙等加载方式，改变高阶模的电流分布使其与基模的电流分布相类似，并将两个模式的谐振频率调节在所需要的频段处，实现双频的辐射性能．YANG等[18]提出了一种双频圆极化方形贴片天线，如图4(a)，激励方形贴片的TM01与TM10模和TM03与TM30模，然后在贴片的四周和中间加载矩形缝隙，大幅降低了高阶模的谐振频率，并通过调节缝隙实现所需的频率比．ZHANG等[19]同样利用方形贴片天线的TM01/TM10模和TM03/TM30模，通过在贴片天线的边上中间位置加载开路支节，调节两个模式的频率比，从而实现所需的双频性能，如图4(b)．但是，这些天线都是通过小型化的方式抑制高阶模的副瓣，高阶模电流分布与基模的相似，所以均不能在两个工作频段内同时实现高增益．

图5 基于缝隙和短路销钉加载的双频高增益贴片天线[20]Fig.5 Dual-band high-gain patch antenna with slot and shorting pin loadings[20]

2.2 基于高阶模谐振的双频高增益贴片天线

本团队利用短路加载和缝隙加载，设计出具有相似波束宽度的双频高增益圆形和矩形贴片天线[20-21]．文献[20]采用差分馈电的方式同时激励起圆形贴片的TM11模和TM12模，结构如图5(a)．首先，通过在圆形贴片中间加载矩形缝隙，在降低TM12模副瓣的同时提高了其辐射增益；由于矩形缝隙的长度比TM11模的工作波长小得多，故该矩形缝隙对TM11模的谐振频率和辐射方向图几乎没有影响．接着，在TM12模电场较弱而TM11模电场较强的位置加载短路销钉，使其对TM11模的电场扰动较强而对TM11模的电场扰动较弱，因此可以在几乎不影响TM12模的情况下提高TM11模的谐振频率，增大其口径电尺寸，从而提高TM11模的辐射增益．最后，通过改变缝隙的长度和短路销钉的个数及加载位置，可以调节两模式的谐振频率．如图5(b)和图5(c)，该天线可同时在3.6 GHz和5.9 GHz的无线局域网(wireless local area network, WLAN)频段实现大于10 dBi的增益，且具有几乎一样的波束宽度．

3 高阶模贴片天线的宽带高增益设计方法

上述基于高阶模谐振的高增益贴片天线，虽然解决了副瓣电平过高的问题，但带宽仍然很窄，典型的频带带宽从百分之零点几到百分之一点几，无法满足大部分无线宽带通信系统对带宽的要求．最近，有学者探讨了高阶模高增益贴片天线的宽带设计方法，根据原理的不同，主要可分为两类．

3.1 基于高阶模谐振的双模和多模宽带贴片天线

多谐振模并用是宽带贴片天线常用的设计方法，一般通过激励起贴片天线的基模和高阶模来实现[22-27]，但这些天线通常无法在宽带内实现高增益．有研究表明，利用贴片天线的两个或多个高阶模(而非基模)，可实现宽带高增益[28-30]．SQUADRITO等[28]提出一种多模宽带高增益圆形贴片天线，结构如图6(a)(i)．首先，在TM14模的第2个电流零点位置加载环形缝隙，使圆形小贴片的TM12模与谐振在整个圆形贴片的TM14模的辐射场叠加，从而抑制了副瓣并增强了天线的增益．然后，在小贴片加载一圈短路销钉，并分别激励起小贴片的TM11模和大贴片的TM13模，利用其远场叠加来抑制副瓣和提高增益．最后，通过调节短路销钉的半径、个数和加载位置，提高了TM11模和TM13模的谐振频率，使其靠近TM12模和TM14模，并最终在10.79～11.51 GHz的宽频带内实现了高达15 dBi的高增益辐射性能．为保证所加载的短路销钉不影响TM12模和TM14模，短路销钉须加载在这两个模式电场较弱的位置．除此之外，LUO 等[29]通过差分馈电同时激励矩形贴片天线的TM03/TM30模和TM05/TM50模，如图6(b)(i)．该方法同时采用高介电常数的介质基板和利用缝隙加载的方式，抑制两模式的E面副瓣；再通过在TM03模电场较弱的位置加载短路销钉，调节两个谐振模式的谐振频率使其相互靠近，达到增加带宽的目的．如图6(b)(ii)，这些工作拓宽了高阶模高增益贴片天线的带宽，但带内的增益响应仍不够平坦．

图6 基于多模和双模谐振的宽带高增益贴片天线Fig.6 Wideband high-gain patch antennas under multi-mode and dual-mode operation

3.2 基于耦合谐振馈电的宽带高增益滤波天线

ZHANG等[31]研究发现，高阶模贴片天线的辐射方向图更易受其邻近其他模式的干扰而恶化．例如，矩形贴片天线工作于TM03模的谐振频点附近会出现很多偶模，如TM02模、TM20模、TM21模和TM22模．因为这些偶模的贴片表面电流呈偶对称分布，产生的方向图并不是所需要的边射方向图，所以高阶模宽带贴片天线的设计应抑制不需要的邻模，以便得到稳定的辐射方向图．为此，ZHANG等[31]提出一种具有滤波特性的宽带高增益贴片天线，令缝隙加载的矩形贴片天线工作在TM03模，两个谐振器对贴片天线进行耦合馈电，如图7(a)．谐振器和贴片两两之间存在着耦合，构成了CT滤波器结构．由图7(b)可见，引入谐振器馈电结构后，带外的其他偶模被很好地抑制了，同时还在带内引入了额外的两个非辐射谐振模式，有效拓展了天线的带宽．而由图7(c)可知，该天线在带外引入了增益零点，使得其具有更好的选择特性．与3.1节所述的双模和多模宽带高增益贴片天线[22-30]相比，具有滤波特性的带宽高增益贴片天线的带内增益更平坦，因为该滤波天线在带内只有单个辐射模(TM03模)工作，所以贴片的表面电流分布和口径效率能维持稳定．与其他工作于基模的滤波天线[32-36]相比，具有滤波特性的带宽高增益贴片天线的增益更高，达13.6 dBi，很好地实现了带宽、增益和辐射稳定性的统一．

图7 基于谐振器耦合馈电的宽带高增益滤波天线[31]Fig.7 Wideband high-gain filter antenna fed with resonator[31]

4 高阶模贴片天线的未来展望

近年来，高阶模贴片天线以剖面低和辐射增益高等优势受到研究人员越来越多的关注．本文总结分析了高阶模贴片天线的副瓣抑制和宽带技术的设计方法以及工作原理，并指出各方法存在的问题．为了能够同时覆盖多种通信制式以降低天线系统的复杂程度和投入成本，未来高阶模贴片天线需要具备更宽的工作频带以及更稳定的辐射性能．总的来说，高阶模贴片天线的设计当前面临的问题主要包含以下两方面．

1)增益稳定的宽带设计．单个高阶模贴片天线能够实现的阻抗带宽相当窄，通常只有1%左右，不能满足宽带无线通信的需求．基于高阶模谐振的多模和双模宽带技术，利用两个或多个高阶模式来获得宽带高增益性能，但其所实现的带内增益和波宽都不够稳定．这是因为不同高阶模式的电流分布和口径效率差异很大，很难让它们在同一工作频带内实现相似的辐射性能．因此，如何选择多个合适的高阶模式，并利用合适的加载技术重塑其电流分布，在拓宽带宽的同时，让辐射方向图保持稳定，将是高阶模贴片天线的研究难点．

2)高阶模贴片天线的邻模抑制．随着阶数的升高，贴片天线的谐振模式越来越多，各个高阶模之间的频率距离也越来越近．由于方向图不同，并非每个模式都能被利用，当一些不需要的模式落入带内时，辐射方向图的一致性就会被破坏．3.2节介绍了利用1/2波长谐振器馈电抑制了TM03模附近的其他偶模，实现了宽带的性能．然而，当高阶模式附近存在更复杂的邻模时，模式激励和模式抑制的难度将会大增，对馈电方式的选择和馈电结构的要求也变得更高，这需要更深入的研究．