一种基于环状介质缩窄波束宽度的微带天线设计

2022-06-08夏燕超

南华大学学报（自然科学版） 2022年2期

郭灵,王彦,夏燕超

(南华大学电气工程学院,湖南衡阳 421001)

0 引言

微波天线是无线通信领域的重要产物，是无线接收设备不可缺少的部分之一。传统的微波天线由于形状以及体积的限制，一旦加工完成，很难调整探测波束的辐射特性和天线增益。这导致了当天线的应用场景发生改变时往往需要设计者重新设计工作天线，不仅设计周期长，成本也会大大增加[1]。因此研究者研究了在不需要重新设计天线结构的前提下，能实现对微波天线的辐射波束控制的方法，这样天线能依据不同的工作场合灵活调整辐射波束形状和增益。经过近年来的研究，目前实现波束方向控制的方法有以下几种：

1)加载寄生单元。研究人员设计了一种带寄生贴片的圆盘形方向图可重构天线，天线工作在5.5 GHz，通过控制环绕放置在圆形贴片上的五个开关，实现天线主波瓣辐射方向的偏移。主瓣方向最大增益可达6.3 dB,在θ=45°面内实现五种定向方向图变化[2]。

2)将一个整体的天线分割为几个小部分，通过控制几个小部分之间的开关实现方向图可重构。研究人员将天线分成两部分组成，一部分是由材质是玻璃(εr=6.85)制造的固体圆筒，另一部分是电介质乙酸乙酯(εr=7.1)，采用3D打印将这两部分放在圆柱形容器中，通过控制乙酸乙酯溶液的流动液体来实现方向图可重构[3]。

3)控制二极管的开关状态，帅亮等人将PIN二极管集成在微带线上，使天线在2.19 GHz～2.54 GHz频段上有2种定向和全向的辐射方向图，定向最小增益1.2 dBi,全向增益1.7 dBi[4]。G.Yang设计了金属壁通过二极管连接到地平面。通过二极管不同状态之间的切换，该天线可以实现宽窄波束切换[5]。研究人员通过在平面圆形补丁天线的上方放置半圆形表面(metasurface,MS)，通过旋转MS,天线波束可以连续引导，天线的工作带宽为5.4 GHz到5.6 GHz，测量的峰值增益为7.2 dBi[6]。郑如萍等人设计了一种由单个激励单极子和四个长度可以调节的寄生印刷单极子，通过控制二极管开关状态，寄生单元可以在引向器和反相器之间切换工作状态，阵列天线方向图可以达到以45°步长覆盖方位面，工作频率覆盖3.4 GHz～3.69 GHz频段，增益大于6 dBi[7]。

4)使用超材料技术，利用超材料技术的特性作为反射面，通过加载二极管开关或者改变地板的结构，从而改变天线波束的方向。一种基于超材料结构的方向图可重构可穿戴天线[8]，通过重新配置传输线的色散曲线，补丁天线可以在零阶模式或1阶模式下产生共振，分别产生宽向辐射模式或全向辐射模式，研究人员提出了适合于2.45 GHz波段应用的Z形天线，通过打开相应单元的二极管，激活适当的超材料表面单元[9]，天线的辐射模式可以转向所需的方向。然而，在上述天线中，方向图可重构的结构比较复杂，成本较高。

本文以剖面低、体积小的微带天线作为工作天线，通过在微带天线上方加载介质圆环的方式实现了天线辐射波束的灵活控制。文中通过高频结构仿真(high frequency structure simulation,HFSS)仿真优化了介质圆环的各项尺寸参数，并进行了加工测试。仿真和测试结果表明，本文采用的波束控制方式可以大幅度改变天线的半功率波束宽度(half-power beamwidth,HPBW)，波束宽度缩窄效果明显。整个天线结构装置简单，无需复杂的开关及偏置电路，降低了工作过程中的能量的损耗，并且具有较高的稳定性。

1 基于环状介质缩窄波束宽度的微带天线结构及理论分析

1.1 环状介质缩窄波束宽度的微带天线理论分析

初始电场的完整度和能量分布以及方向直接关联于所述微波波束的梯度边界，如图1所示。

在实际应用中，微波波束的辐射从较高辐射能量明显衰减至较低辐射能量，如图2所示。通过改变初始介质的状态方式，使得初始电场的能量分布和方向改变，影响对应方向的辐射近场强度，以形成相应微波波束的梯度边界的整形，缩窄微波波束的辐射可以从较高辐射能量明显衰减至较低辐射能量，形成较清晰、明确的空间微波电磁波辐射强度的梯度边界。

图2 微波探测装置在实际应用中的梯度边界Fig.2 Gradient boundary of microwave detection device in practical application

1.2 环状介质缩窄波束宽度的微带天线结构

本文设计的基于环状介质缩窄波束宽度的微带天线由两部分组成，一部分是平面微带天线，另一部分是高介电常数介质圆环。

平面微带天线结构如图3所示。采用长形贴片作为辐射源，辐射贴片的长度l为6.8 mm,宽度w为6.7 mm。介质材料为Rogers RO4350,相对介电常数εr为3.66，损耗角正切为0.004，介质基板厚度h为1 mm。

图3 微带天线结构图Fig.3 Microstrip antenna structure diagram

天线工作于主模TM01，波长指介质内部波长λg，介质基板的等效介电常数εe，即可计算介质内部波长λg：

(1)

式(1)中，c为真空中光的波长，f为谐振频率，介质基板的等效介电常数εe可计算为：

(2)

式(2)中，当介质的相对介电常数εr与厚度确定后，矩形微带天线的宽度w也随之确定，可计算为：

(3)

由式(3)可见，微带天线的宽度w总是小于半波长。

矩形微带天线的长度L理论上等于介质中波长的一半，实际上由于两边的边沿效应影响，实际值应该为半波长中减去两个Δl，Δl由下面公式计算出：

(4)

于是得到实际的长度L:

(5)

由式(5)可见，矩形微带天线的长度最终取决与谐振频率f、介质的等效介电εe，宽度w以及厚度h。

微带天线的馈电技术主要有同轴线馈电、微带线馈电、共面波导馈电，本文的天线设计采用同轴馈电,中心点接地的方式。

所得到的微带贴片天线S参数的仿真结果如图4所示,天线的工作频率在X波段(10.525 GHz)，远高于日常生活中大多数电子产品的工作频率，有效提高了产品抗干扰能力，损耗小于-15 dB,E面和H面的方向图如图5所示，微带天线E面和H面半功率波束宽度为83.58°和78.66°，增益如图6所示为6.81 dB。

图4 微带天线的回波损耗图Fig.4 Return loss diagram of microstrip antenna

图5 微带天线二维方向增益图Fig.5 Two-dimensional directional gain diagram of microstrip antenna

图6 微带天线三维方向增益图Fig.6 Three-dimensional directional gain diagram of microstrip antenna

利用在微带天线上方加载介质环灵活控制天线的辐射方向图，通过HFSS仿真建模，加载介质环的整体天线结构如图7所示。该介质环参数设置为厚度3.5 mm，高度14 mm,内径40 mm,采用陶瓷材料(介电常数为20)制成，陶瓷材质具有介电性能优良、价格便宜等优点。

图7 加载介质圆环的微带天线结构图Fig.7 Structure diagram of a microstrip antenna loaded with a dielectric ring

2 微带天线主要结构参数的优化

本节研究设计的波束宽度缩窄微带天线利用HFSS软件进行建模仿真分析，所有仿真得出的数据参数均由HFSS软件得到。为了研究介质圆环与辐射贴片的距离对天线波束宽度的影响，在上一节微带天线设计的基础上，深入研究加载介质圆环与辐射贴片距离、介质圆环材料的不同对天线波束缩窄能力的影响。

保持矩形贴片天线和介质圆环结构参数不变，设置陶瓷介质环与辐射贴片的距离d，d的范围在-1 mm～8 mm之间，不同d值对应的天线半功率波束宽度和增益如表1所示。

表1 介质环与辐射源不同距离的微带天线二维方向E面和H面的增益以及三维方向辐射增益图Table 1 The gain of the E-plane and H-plane in the two-dimensional direction of the microstrip antenna with different distances from the dielectric ring and the radiation source and the three-dimensional directional radiation gain diagram

从表1中可以看出随着陶瓷圆环与辐射贴片距离d的增大，阻抗匹配变得更好，辐射增益增大，但是方向图的副瓣和后瓣也相应增大。结合天线的三维辐射增益图知d在5.5 mm～8.5 mm范围内E(H)面半功率波束宽度有最小值，优化分析如图8(a)(b)所示。由于HPBW和增益之间的制约关系，选取HPBW最小值及三维辐射增益最大值，因此取d=7 mm。

图8 介质环与辐射源不同距离的微带天线E面和H面HPBW图和增益图Fig.8 The E-plane and H-plane HPBW diagrams and gain diagrams of the microstrip antenna with different distances between the dielectric ring and the radiation source

图9和图10给出了陶瓷介质环距离天线高度d为7 mm的三维和二维方向辐射增益图，可以看出E面的半功率波束宽度约为26°，H面的半功率波束宽度约为30.7°，最大辐射方向上的增益为13.5 dB，天线的辐射方向性能都较好,天线波束宽度缩窄效果明显，而且旁瓣和副瓣都比较小。

图9 陶瓷介质环距离天线的高度d为7 mm三维方向辐射增益图Fig.9 The height D of the ceramic dielectric ring from the antenna is 7 mm, and the three-dimensional radiation gain diagram is obtained

图10 陶瓷介质环距离天线的高度d为7 mm二维方向辐射增益图Fig.10 The height D of the ceramic dielectric ring from the antenna is 7 mm, and the two-dimensional radiation gain diagram is obtained

介质环介电常数的不同，天线波束宽度也有显著差异如表2所示，三维方向辐射增益图如图11所示，从图11(a)、图11(b)中可以看出，介电常数分别为4.4和3.55时，波束均有缩减效果效果，当介质环的材料是低介电系数时，H面半功率波束宽度缩窄到30°左右，然而E面波束宽度几乎没有缩窄同时副瓣电平和旁瓣都较大。

图11 加载不同材质介质环的微带天线三维方向辐射增益图Fig.11 Three-dimensional directional radiation gain diagram of a microstrip antenna loaded with dielectric rings of different materials

表2 加载不同材质介质环的微带天线二维方向E面和H面的增益以及三维方向辐射增益Table 2 Two-dimensional E-plane and H-plane gains and three-dimensional radiation gain of the microstrip antenna loaded with dielectric rings of different materials

3 测试与分析

为验证所设计的微带天线波束缩窄的性能，按照上述仿真最优参数制作了实物(如图12所示)。波束缩窄设计中需要手动去调整介质圆环与微带天线之间的距离，这样操作会导致灵敏度不高，如将其设计为可机械移动的装置，不仅提高灵敏度，而且调节起来更为方便(如图13所示)。将加载陶瓷圆环的天线模块在微波感应器中进行实验测试，验证天线的波束宽度是否发生改变。

图12 加载陶瓷圆环微带贴片天线结构图Fig.12 Structure diagram of a microstrip patch antenna loaded with a ceramic ring

图13 陶瓷圆环机械移动装置结构图Fig.13 Structure diagram of ceramic ring mechanical moving device

测试过程为：

1)空旷环境中将微波感应器垂直安装，负载接白炽灯。感应器安装高度为3 m。

2)测试者在测试时以感应器为中心对感应器进行东南西北四个方向分别进行移动直走测试。

3)测试时，测试者移动速度约为0.5 m/s，当负载灯泡亮起时记录此时测试者与感应器的距离。

4)每个方向的测试数据为10组。

5)在微带天线上方加载陶瓷圆环，使之与辐射贴片相距7 mm,再次进行步骤1)至步骤4)。

6)将微波感应器安装高度依次设为6 m、9 m、12 m，重复步骤2)至步骤5)，对每个方向测试的10组数据取平均值，测量结果如表3所示。

表3 多普勒微波装置测距Table 3 Range measurement of Doppler microwave device

HFSS仿真加载介质圆环的微带天线辐射缩减效果是60.9%，上述实验数据结果表明，采用加载陶瓷介质环使天线的波束宽度缩减效果在50%左右，和仿真数据有少许误差，天线辐射波束的缩窄，增益提高更明显的表现是垂直感应距离的提高以及水平感应距离的缩小。测试中由于感应器垂直安装高度不够的原因，天线的辐射距离并未达到极限，因此与仿真结果不一致，同时因为基于改变初始电场的能量分布和方向，从而影响对应方向的辐射近场强度，最终影响微波波束的辐射能量分布，以形成对波束角缩窄调整，并能够结合微波感应器的发射功率的调整，缩窄微波波束的辐射。但是从测试结果上来看，加载介质圆环缩窄波束的效果是显著的。