一种全向环形缝隙阵列天线设计

刘宇峰， 曹 源， 张 骄， 张文梅

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

全向天线因其能在水平面产生360°的均匀辐射而在无线通信领域有着广泛的应用. 经过多年发展已产生多种形式， 最为典型的是垂直偶极子和单极子全向天线[1-2]， 但它们的增益和带宽都是有限的. 在文献[2]中， 提出了一种在水平面上具有宽带和低增益变化的偶极子全向阵列天线， 通过加载寄生条带以及将二维结构变为三维结构， 天线的带宽相较于文献[1]得到了极大地提高， 且在水平面有小的增益变化， 但其结构过于复杂不易加工. 同轴共线(COCO)天线[3]因其结构简单， 且可通过组阵提高增益， 但依然存在带宽窄的问题. 微带贴片天线[4-6]虽然结构简单， 但同样带宽很窄. 在文献[4]中， 提出了一种具有短路过孔和耦合圆环的圆形贴片天线， 通过合并3种谐振模式提高天线的带宽， 但其增益较低. 在文献[5]中， 通过应用耦合馈电及寄生贴片， 较好地拓展了贴片天线的阻抗带宽， 但其馈电方式复杂. 在文献[6]中， 提出一种由矩形贴片和微带线构成的阵列， 通过在上下相邻导体之间引入等效为容性负载的间隙， 从而提高天线的带宽. 平面缝隙天线因其简单易加工的特性受到广泛的研究[7-10]. 在文献[7]中， 天线虽然结构简单且实现了高增益的全向辐射， 但带宽较窄， 不能满足更多设备同时工作的要求. 在文献[8]中， 天线通过蚀刻缝隙来激发多种谐振模式， 实现在高频部分带宽的展宽. 在文献[9]中， 通过在接地板蚀刻缝隙， 不仅改善了天线的阻抗匹配， 同时拓宽了高频部分的带宽， 但其增益较低. 在文献[10]中， 通过加载寄生缝隙， 在低频段产生了额外的谐振， 天线的带宽拓展了近10倍， 但其馈电结构复杂. 理想的全向天线应具有简单的结构， 易于组阵， 高定向性， 较宽的带宽， 同时有较低的增益变化以保证稳定的全向辐射性能， 然而现存的设计几乎无法同时满足这些要求.

本文所提出的全向阵列天线， 基于带状线结构， 设计简单. 通过在两侧金属板上蚀刻一系列加载双Y枝节的环形缝隙， 并且通过SMA连接中心导带对其进行串行馈电， 使天线激发出了新的谐振模式， 获得了较宽的带宽. 结合GA算法对天线的结构参数进行优化. 基于优化结构参数设计并加工制作了一款工作于5.8 GHz全向平面缝隙阵列， 验证了该设计的有效性.

1 天线的结构与设计

图 1 为本文所提出天线的结构， 天线是由宽度Wc=2.16 mm的中心导带和两侧接地板组成的50 Ω带状线. 金属地板间填充厚度h=3 mm的聚四氟乙烯， 相对介电常数εr=2.55、 损耗正切角tanδ=0.002. 在带状线的一端AA′通过同轴进行馈电， 端口距离第一个辐射缝隙Lf=20 mm， 带状线另一端BB′为终端开路. 两侧金属接地板上等间距蚀刻8个加载双Y形枝节的环形缝隙.

图 1 天线的结构

图 2 为所采用缝隙单元的设计过程及其对应天线的仿真|S11|. 天线1所采用的缝隙单元为单圆环， 相对带宽为5%(5.59 GHz～5.88 GHz)， 如图 2(b) 所示. 在不改变单元尺寸的前提下， 通过在圆环缝隙单元中加载一个Y形的缝隙， Y形缝隙由竖直长度Ly和弧形部分(与圆环同心)组成， 对向角度θ. 天线2在高频产生新的谐振， 相对带宽增加为5.8%(5.59 GHz～5.93 GHz).

(a) 天线单元的设计过程

在缝隙单元图 2 的基础上， 将Y形缝隙沿圆环单元中心对称放置， 即构成本文所采用的缝隙单元3， 天线的相对带宽提升至7.41%(5.60 GHz～6.03 GHz)， 工作带宽进一步拓宽.

图 3 为3种单元在5.8 GHz处的瞬时电流分布， 在与接地平面垂直的电场激励下， 缝隙单元产生谐振. 如图3(a)所示， 当辐射单元仅为圆环缝隙时， 电流主要集中在沿圆周方向， 引入一个Y形缝隙后， 沿电流流动的方向增加了新的同相分布电流， 因此在高频处引入谐振. 当引入一对中心对称的Y形缝隙后， 如图3(c)所示， 延长了同相分布电流的路径， 使其分布更均匀. 同时在高频引入新的谐振， 因此带宽明显增强.

图 3 3种单元在5.8 GHz处的电流分布

图 4 为所设计天线在5.8 GHz处的瞬时电流分布图， 电流从同轴馈电端流入， 沿着带状线按照箭头方向流动. 电磁能量从中心导带耦合至8对等间距辐射缝隙， 最终同相叠加， 从而实现高增益的全向辐射.

图 4 5.8 GHz处表面电流

2 参数分析及优化

2.1 主要参数分析

为了分析天线结构参数对谐振频率及带宽的影响， 对部分重要参数进行分析. 图 5 为圆环缝隙的半径r1对|S11|的影响.随着r1的增大， 谐振频点向高频移动， 但过大时会导致天线带宽性能的恶化.因此选择r1=8.41 mm.

图 5 r1对天线|S11|参数的影响

Y形缝隙的参数也会对天线的性能产生较大的影响. 如图 6(a) 所示， 经扫参分析可知， 当90°<θ<120°时， 天线的带宽性能较好. 当θ过小或者过大时， 将无法激励出高频的谐振， 因此带宽性能出现恶化， 但对低频部分几乎没有影响. 当θ=100°时， 天线的带宽最优.

如图 6(b) 所示， 随着Ly的增大， 由于Y形缝隙靠近会出现较强的耦合， 天线阻抗匹配变差， 选择Ly=4 mm. 如图 6(c) 为Y形缝隙宽度Wy对|S11|的影响， 当Wy较小时， 天线的传输性能良好， 随着Wy的增大， 会影响在高频和低频部分的阻抗匹配， 天线的带宽变窄， 因此选择Wy=1.2 mm.

(a) θ对|S11|参数的影响

2.2 优化设计

微带线在5.8 GHz下的工作波长可由下列公式计算得出

式中：λ0为自由空间波长；c为自由空间中的光速.使用全波电磁仿真确定了对天线性能影响较大的8个参数并仿真出了较优性能的初始值作为算法的初始种群， 分别是缝隙之间的距离Dl、 微带线上边距与缝隙之间的距离Dt、 微带线水平边距与缝隙之间的距离Dr、 缝隙的半径r1、 缝隙宽度c1、 Y形缝隙的长Ly和宽Wy及弧形部分的角度θ. 为了获得最优的全向辐射性能， 采用遗传算法对天线进行优化.

遗传算法(Genetic Algorithm)是模仿自然界生物进化机制发展起来的随机全局搜索和优化方法， 是一种自适应地控制搜索过程以求得最佳解的方法. 将优化的天线参数范围设置为初始值的左右各10%的区间， 为了减小每一代所需的求解器计算次数， 种群大小设置为4×8， 变异率为60%， 随机种子设置为1， 最大迭代次数为30次， 最大的求解次数约为497次. 之后， 定义了算法的适应度函数

F=C1*S11+C2*MaxGain+C3*Bandwidth

式中：F为适应度值；S11为天线的反射系数， 设置为在带宽范围内低于-10 dB；MaxGain为峰值增益；Bandwidth为5.8 GHz下|S11|<-10 dB 的阻抗带宽.C1，C2和C3为权重因子， 考虑到本设计为天线带宽性能的增强， 因此将他们分别设置为0.1， 0.3和0.6. 最终优化后的参数分别为Dl=31.61 mm(0.97λ)，Dt=14.86 mm(0.46λ)，Dr=1.67 mm(0.05λ)，r1=8.41 mm，c1=1.72 mm，Ly=4 mm，Wy=1.20 mm，θ=103.6°.

3 仿真和测试结果分析

基于遗传算法优化所确定的结构参数加工了天线的实物， 如图 7 所示. 天线的长度为273 mm， 宽度为20.16 mm. 中心导体和金属地板印刷在其中1块基板上， 另1块基板一侧只印刷金属地板， 2块基板粘贴在一起形成天线.

图 7 天线实物

图 8 为天线实测和仿真的|S11|， 可以看到， 两条曲线较为吻合. 实测天线|S11|<-10 dB的阻抗带宽为5.69%(5.64 GHz～5.97 GHz). 误差可能是由于天线加工误差及SMA接头焊接导致天线出现阻抗匹配较差.

图 8 实测和仿真|S11|

图 9 为微波暗室天线实际测试环境， 完成辐射方向图和增益的测量.

图 9 天线实际测试环境

图 10 为在5.8 GHz处方位角平面(H-plane)和仰角平面(E-plane). 由图 10 可以看出， 实测和仿真的方向图较为一致. 天线在工作频率 5.8 GHz 处测得的最大增益为9.44 dBi， 测得在E-plane的波束宽度为10.1°， 在H-plane和E-plane的旁瓣比主瓣低12.6 dB， 天线以线性极化辐射， 交叉极化水平低于-15 dB. 测得E-plane辐射方向图的主波束出现约5°的偏转以及未达到峰值的问题， 可能是由于两块基板在粘贴时未精确对齐， 导致了两侧的缝隙不能被同时激励， 因此， 两侧缝隙上的同相电流幅值出现较小的偏差， 从而导致上述误差.

(a) E-plane

图 11 为天线的实测和仿真增益曲线， 从图 11 中可以看出， 其实测增益从8.49 dBi变化到9.68 dBi， 实测与仿真结果出现了约1.2 dBi的误差， 这可能是由于天线加工及测试环境导致的， 但整体趋势是一致的. 天线在带宽内相邻频点的增益变化低于0.5 dB. 结果表明， 所提出的天线在工作频带内能保持稳定的全向辐射性能.

图 11 实测和仿真天线的增益

4 结 语

本文设计了一种新型全向环形缝隙阵列天线. 天线结构简单， 缝隙辐射单元通过中心导带串行馈电. 通过在接地板上蚀刻加载Y形枝节的圆环缝隙实现了带宽的增强， 并实现了在带宽范围内稳定的全向辐射. 通过GA对天线参数进行优化， 制作并测量了实物， 测得天线在5.8 GHz的工作频率下， 天线的阻抗带宽为(|S11|<-10 dB)5.69%(5.64 GHz～5.97 GHz)， 最大增益为9.68 dBi， 且增益变化小于0.5 dB. 结果表明， 该天线适用于WLAN无线通信系统.