新型高增益水平全向微带天线

余文静，陈星

（四川大学电子信息学院，成都 610064）

0 引言

近年来通信系统的功能、容量、通话质量以及服务业务随着微电子技术的迅猛发展不断升级，同时对水平全向天线的性能指标的要求也越来越高［1］。在进行网络建设的过程中，为了充分利用设备资源，通常会将网络用户比较分散的偏远地区的蜂窝划分的比较大，所建设的基站数量也更少、密度更低，而且通常会采用水平面方向图为全向辐射的天线形式。天线系统在传播的过程中，电波会因为受到外部因素的影响而衰弱，同时信道也会受到地形、温度、湿度等环境因素的影响。而这些外部因素都会导致通信系统的通话质量降低，从而导致通信系统的覆盖范围发生变化，有些用户可能因此得不到良好的服务。如果通过新建基站的方式来保证通话质量，这势必会产生很多的额外投资，因此需要找到一种既能保证通话质量又能避免不必要的投资的方法，这就要求天线有相对较高的增益。因此近年来通过开发高增益水平全向天线来改善通信系统的通话质量是一个迫切的研究课题［6］。

如今水平全向天线的结构形式已经越来越多样化，并且近几年通信领域也相继产生了很多高增益水平全向天线，如同轴开槽天线［8］、环形带状微带贴片天线［10］、并馈式全向天线［11］、渐变缝隙全向天线以及双面矩形微带天线［12］等。R.Bancroft等人［2］提出了一种辐射贴片和微带馈线交替排列在的介质基板两侧的水平全向天线结构，该天线结构很简单，方便加工。K.George Thomas 等人［3］提出了一种拥有两层介质的全向串联馈电微带贴片天线，该天线的最大增益可以达到7.5 dBi，同时通过电磁耦合馈电方式使该天线具有比一般的直接馈电的串馈贴片天线更宽的相对带宽。文献［4］中提出了一种在对称振子天线的两臂上分别套上圆柱形金属管的天线结构。该天线的不圆度仅为0.5 dB，套金属圆柱管的方法可以在增加天线阻抗带宽的同时改善水平面方向图的不圆度。文献［5］提出了一种结构新颖的全向天线，该天线是一种包括两个背对背的偶极子和一些能够增强天线增益的元件。该天线的结构易于实现，而且增益、方向图、带宽等天线辐射特性良好。文献［7］通过开槽实现全向辐射的方式设计了一款水平全向天线，同时采用耦合馈电减小了串联馈电结构单元之间的互耦影响，有效地降低了同轴串馈天线的损耗。就全向天线的设计而言，如何在实现全向辐射的同时尽可能增大天线的增益。设计一款高增益全向天线得到了越来越多的关注，无论是通过对天线的结构进行还是从馈电的角度进行改进都值得我们进行探索。

本文设计了一款全向微带天线，通过组阵的方式大大提高了天线的增益同时保持了良好的全向性。该天线结构较为简单，易于加工，具有良好的实用价值。

1 天线结构设计

传统的偶极子天线通常具有良好的全向性，而且其结构简单，加工方便，但是它通常具有较低的天线增益，无法完全满足无线通信的要求。本文通过组阵技术和串馈的方式在偶极子天线的基础上设计了一款高增益水平全向贴片天线。天线阵列的馈电方式通常分为串联馈电和并联馈电两种。就结构而言，串联馈电的结构更加简单，比较适合量产，但是这种馈电方式会导致天线的阻抗带宽较窄，同时当天线单元较多时还会导致天线的最大辐射方向偏离水平方向。而采用并联馈电形式的天线结构复杂，但是这种形式的天线设计的自由度更大，能实现宽带，经过综合考虑本文采用串联馈电的方式对天线阵列进行馈电。将偶极子天线的两臂改为金属贴片形式，其中一个金属贴片作为本文所设计的天线的地，另一个金属贴片作为天线的辐射单元进行组阵，天线的辐射单元由弯折线进行连接，天线的地和辐射单元分别印刷在介质板的两侧，利用同轴线馈电。如图1 所示是本文所设计的天线的结构图。该天线的中心频率为5.8 GHz，天线结构简单，主要由辐射体、U 型地、馈线和弯折连接线四个部分组成。

图1 本文所提出的天线结构

电流从天线的端口馈进之后在单元之间传输时会有所损耗，后一级天线单元流过的电流强度比前一级要小，因此可以通过调节天线单元的长度使天线的各个单元具有相同的辐射效率，同时使用U 型地实现阻抗匹配。为了方便后续的天线测试，将天线的地与辐射部分放置于介质板两侧，利用同轴线进行馈电，为了使天线的地与天线的辐射单元组成非对称振子天线实现全向性，所以天线的介质板尽可能薄。

2 天线仿真与加工实测

本文在偶极子天线的基础上设计了一款中心频率为5.8 GHz 的水平全向高增益贴片天线。该天线的介质基板采用介电常数为2.2 的Rog⁃ers5880，其厚度h选择为0.508 mm。在电磁仿真软件中对天线的结构参数进行建模仿真，图2 是天线的各部分参数表示。由微带线阻抗计算软件可知，在Rogers5880 介质基板上特性阻抗为50 Ω馈线的宽度Wt=1.5 mm，将天线的各部分参数进行参数优化，得到天线的各部分结构的最佳物理尺寸如表1 所示。并根据最终优化的结果进行天线实物加工，然后分别用矢量网络分析仪和暗室对天线的回波损耗和增益进行测试，并与仿真结果进行比较。

表1 天线的结构参数

图2 天线各部分的参数表示

根据优化后得到的天线的最佳物理尺寸加工出来的天线样机如图3（a）、（b）所示，将利用矢量网络分析仪对天线的回波损耗S11 进行测量的结果与仿真得到的天线的回波损耗进行对比，结果如图4所示。

图3 天线实物图

图4 天线仿真与实测S11曲线

从图中可以看出，测试得到的天线的中心频点比仿真的结果偏了约0.05 GHz，同时测试得到的天线工作频段是5.72～5.95 GHz，与仿真得到的5.71～5.92 GHz 也略有偏差，但是在5.8 GHz处天线仿真和实测结果都满足|S11|<-15 dB，所以虽然天线的回波损耗的实测结果和仿真结果并没有完全吻合，但是测试结果仍满足设计要求。经过分析，出现这种偏差的原因可能是天线的加工误差和测试环境。本文的天线的相对带宽仅为3.9%，属于窄带天线，加工误差和材料参数误差对窄带天线的性能影响有很大影响，所以在仿真时需要把握好材料的参数来减小此类影响［13］。

同时利用微波暗室对天线的远场特性进行测试，图5和图6分别为天线的E面和H面归一化方向图的仿真和实测结果对比。

图5 天线H面仿真与实测归一化方向图曲线

图6 天线E面仿真与实测归一化方向图曲线

从图中可以看出，天线的H 面（水平面）的方向图和E 面方向图基本吻合，但是H 面的偏差相对较大一点，造成这一结果的原因可能是： ①在进行天线仿真时所选择的材料是在理想条件下的导体和介质，但是实际加工的材料是存在介质损耗的。②介质板的相对介电常数是不均匀的。天线仿真与实测的E 面方向图的对称性良好。图7 给出了工作频段内的天线最大增益仿真与实测对比，从图中可以看出，天线在中心频率处最大增益的测试结果较仿真结果小0.4 dB。从上述分析中可以看出，该天线仿真结果和测试结果都基本吻合，从而验证了该设计的可靠性。

图7 天线仿真与实测的增益对比

3 结语

本文通过对全向天线的研究，利用组阵技术设计了一款结构新颖的高增益水平全向贴片天线。该天线城墙形状的辐射单元和U 型地分别印刷在介质板两侧，并利用50 Ω 同轴线直接馈电。利用仿真软件对上述设计进行仿真优化制作了天线实物，并利用矢量网络分析仪和微波暗室内对天线进行了测试。结果表明，该天线的相对带宽约为3.9%（5.72～5.95 GHz），天线在中心频点5.8 GHz 的最大增益达8.9 dBi，水平面方向图的不圆度仅±0.75 dB。由此可见，本文所述的设计方法具有一定的应用价值，特别是对高增益水平全向贴片天线的设计具有一定的参考价值。