新型双极化桌形天线阵设计

孔德珍，陈 星

（四川大学电子信息学院，成都 610065）

0 引言

在现代通信系统中，微带天线因剖面低、体积小、重量轻的优势广受好评，但微带天线阻抗带宽较窄，主辐射方向半功率波瓣宽度较宽和方向性较差。2017年香港中文大学的研究者设计的一款新型圆极化桌形（circularly polar⁃ized table-like air patch，CP-TAP）天线，与传统的圆极化空气贴片天线相比，所提出的圆极化桌形天线提供了超过1 dB的增益，该天线采用两种馈电结构，在2.45 GHz的单探针馈电模型中，所提出的CP-TAP天线的阻抗带宽（11＜-10 dB）为7%，轴比为3 dB时带宽为1.6%；采用双n形探针馈电模型，所提出的CP-TAP天线的阻抗带宽（S11＜-10 dB）可达25%。相较于相同频率下的微带天线，桌形天线结构更加简洁，增益更高，易实现多极化，以空气为介质，具有可自支撑特点，降低了加工和组阵的难度。

本文以此新型圆极化桌形天线为基础，设计了工作于5.8 GHz的高增益正交双线极化的桌形天线并实现组阵，以2×2阵列为例，在馈电网络中采用反相馈电技术，以改善端口之间的隔离度和交叉极化比。通过在桌形天线四边加载三角辐射片增加表面电流路径，相比于没有加载寄生辐射片的桌形天线，进一步提高了天线增益和口径效率。

1 天线结构

图1为双极化桌形天线单元结构。

图1 天线结构

该桌形天线（table_like antenna）基本单元包括两个部分，以主辐射桌形面为馈电单元，利用两个正交位置的同轴探针与主辐射桌形天线直接接触进行馈电，顶部主辐射面的四个角落有四个内置的接地腿，形成半开放的谐振器；顶部主辐射面与四根接地腿集成一体，形成自支撑结构。

为满足天线高增益高口径效率特性的设计需要，在主辐射片上下左右四边分别有一个三角形作为寄生单元，金属柱和尼龙柱为支撑，以此增加电流表面流动路径。为提高端口隔离度，采用表面开槽，并在天线的几何中心位置加入一根销钉以抑制高阶模，进一步优化了端口隔离度和主辐射方向的交叉极化电平，中心黄色为主辐射片，周围绿色为加载辐射片，均为铜片，地板为铝板。

利用50Ω的同轴线进行馈电，以高增益和高口径效率采用电磁仿真软件对天线结构参数进行优化，其优化后的尺寸见表1。

表1 天线主要结构参数/mm

2 天线设计原理及参数分析

2.1 天线设计原理

采用以空气为介质的微带天线作为主辐射单元，以四个角落的四个内置的接地腿支撑，矩形贴片天线大小为×其结构与传统的微带传输线类似，可以看做两端开路，一般长度对应波长的1/2，即

式中：对应自有空间中的波长。ε为相对介电常数，根据式（1）设置贴片天线的大小，得出≈25.86 mm。提出的桌形天线主辐射贴片为方形贴片，经优化取得边长为31 mm。采用加载寄生贴片增加电流流动路径，提升增益和口径效率。

用CST软件对该桌形天线基本单元在不加激励的情况下进行特征模分析，图2（e）为对应模型的所有特征模式的前四个模式，（a）、（b）为对应主模式的表面电流和远场辐射方向图。从图2（e）可以看出，J1和J2是谐振频率约为5.8 GHz时的一对模式。从图2（a）可以看出J1在整个贴片上是同相的，且朝着X方向极化。图2（b）可以看出J2和J1是同相的但有一个90°的旋转，即J2在整个贴片是同相且朝着Y方向极化。但在主辐射桌面的四个角落处，电流有与主极化不同相的其他分量，产生高次模，对交叉极化影响较大。因此，由于贴片的对称性，J1和J2是一对正交模式。J1和J2由于电流同相，所以在+Z轴产生一个良好的定向辐射。所以，以同轴激励模式1和模式2，可以实现正交双线极化。

用两个正交位置的同轴探针与主辐射桌形天线直接接触进行角馈电。图2（c）为5.8 GHz工作频率下当轴上端口馈电时天线表面电流的分布，可以看出，此时表面电流主要集中在轴方向，由此可以判定电场在远场的主极化方向为轴方向；图2（d）为5.8 GHz工作频率下当轴上端口馈电时天线表面电流的分布，可以看出，此时表面电流主要集中在轴方向，由此可以判定电场在远场的主极化方向为轴方向；与本征模式分析一致。两个端口分别激励下可以观察到主辐射贴片的电流方向沿着馈电口的对角线，可以实现±45°双线极化辐射特性。加载三角寄生单元后其中一个端口馈电时整个天线单元电流分布如图2（f）。

图2 天线表面电分布图和辐射方向（续）

图2 天线表面电分布图和辐射方向

2.2 天线参数分析

该天线单元结构具有高度对称性，端口1与端口2激励基本吻合，故只展示出其中一个端口工作时该天线的特性参数。图3（a）为无加载寄生三角贴片和加载后的天线 ||的对比，天线的相对阻抗带宽由6.4%下降至5.5%；图3（b）为无加载寄生三角贴片和加载后的天线 ||的对比，加载后两个端口之间的隔离度提升了约10 dB；对图3（c）为无加载寄生三角贴片和加载后的天线增益的对比，通过在主辐射单元四方加载寄生三角贴片后，主辐射方形贴片上的电流被耦合至加载寄生贴片上，从而增加电流流动路径，天线单元的增益可以从7.5 dBi提到至11 dBi，口径效率从47.9%提高至107.2%。图3（d）为口径效率随Load_（加载寄生等腰三角贴片）斜边长度的变化情况，当Load_=29 mm时，天线单元的口径效率已达到最大值，若再继续增大Load_，增益增加的幅度小于地板增加的幅度，口径效率会变小。

图3 不同结构参数对天线性能的影响

3 天线2×2阵列仿真与测试对比

为了满足天线高增益定向辐射特性的设计需要，如图4所示，将桌形天线为单元进行组阵。

图4 天线阵列结构

为满足较高的端口隔离度和交叉极化比，单元之间采用了对称反相馈电的方式进行组阵，对称反相馈电可以抑制高阶模从而抑制交叉极化，加工模型见图5。

图5 加工实物

图6为双极化桌形阵列天线测试与仿真的||对比结果，两组端口分别馈电且天线结构高度对称，可以看到该阵列平均阻抗带宽达到6.5%（||<-10 dB）；图7为阵列测试与仿真增益对比图，平均增益约为15.5 dBi，口径效率达到76%。

图6 仿真与实测 | S 11|对比

图7 仿真与实测增益对比

图8为该双极化桌形天线阵列在5.8 GHz处的仿真方向图。

图8 5.8GHz处仿真方向

图9和图10为两组端口分别馈电时在微波暗室对该阵列的远场方向图5.8 GHz处的测试方向图。以标准喇叭天线计算增益，方向四个端口馈电时的相对阻抗带宽为7.2%，增益约为15.06 dBi，口径效率约为76.6%，半功率波瓣宽度内交叉极化比大于40 dB,主旁瓣比约12 dB；方向四个端口馈电时的相对阻抗带宽为5.9%，增益约为15.03 dBi，口径效率约为76.1%，半功率波瓣宽度内交叉极化比大于40 dB，主旁瓣比约13 dB。该桌形阵列天线在E面和H面都呈现良好的定向辐射特性，半功率波瓣宽度内交叉极化比均大于40 dB，主旁瓣比均大于12 dB。

图9 5.8 GHz处实测方向（X）

图10 5.8GHz处实测方向（Y）

4 结语

本文设计了一款新型的双极化桌形天线阵列天线。该天线的单元由放置于中心的由四个内置接地腿支撑的方形辐射贴片和四只三角寄生贴片组成，增加了天线的增益和口径效率。

通过在主辐射片表面开槽和几何中心加载销钉抑制高阶模对端口隔离度以及天线交叉极化比进行改善，由于天线单元是高度对称的，端口1和端口2激励基本吻合，选择一个模式工作时，仿真得到加载三角形寄生辐射片桌形天线单元||<-10 dB的工作频带为5.60～5.92 GHz，相对阻抗带宽约为5.5%，在频带范围内端口隔离度大于25 dB，在谐振频点5.8 GHz增益在11 dBi左右，主辐射方向半功率波瓣宽度内交叉极化比大于23 dB。天线单元以对称反相馈电组成2×2阵列，天线高度对称，两组端口激励基本吻合，天线样品的测试与仿真结果吻合良好，该阵列平均阻抗带宽达到6.5%（ ||<-10 dB），平均增益约为15.5 dBi，口径效率达到76%，在E面和H面都呈现良好的定向辐射特性，半功率波瓣宽度内交叉极化比均大于40 dB，主旁瓣比均大于12 dB。