基于高阻抗表面的低剖面天线设计

刘松林

（成都汉芯国科集成技术有限公司，成都 610000）

现代通信设备要求天线向小型化、宽带和多频段、智能方向发展。而无线通信基站的天线一般采用偶极子天线加金属背板的形式，但根据镜像原理，偶极子天线的辐射性能会受到金属地板强烈的影响，因为理想电导体表面的入射电磁波与反射电磁波有180°的相位差。所以，偶极子天线距离金属背板的高度不能少于四分之一波长，这样显然不能满足未来无线通信系统对于小体积的苛刻要求，尤其在适合广覆盖的低频段通信难以接受。因此，人们在如何有效降低天线剖面高度方面作出了许多努力。Tran 等[1]中提出了一种利用矩形贴片加载接地板辐射圆极化波的单向偶极子天线。天线高度减小到0.1 λ0，但天线带宽较窄。1999 年，Sievenpiper 等[2]提出了一种电磁结构，使其在谐振频率附近具有与理想磁导体（Perfect Magnetic Conductor，PMC）非常接近的特性，即表面的入射电磁波与反射电磁波几乎没有相位差，且具有很高的阻抗，因此称为高阻抗电磁表面（HIS）。人们通过研究无通孔人工磁导体（AMC）的周期性片表面结构[3-4]发现在一定的频率范围内，反射波的相位等于入射波的相位，所以这个AMC反射器可以用来降低天线的高度[5]。通常，反射相位小于90°的AMC 表面的带宽很窄，这限制了天线的带宽。Agarwal 等[6]中，设计了一种双层结构来提高AMC结构的同相带宽。天线的阻抗带宽（VSWR＜2）为36.2%，轴比带宽（AR＜3 dB）为33.2%。然而，双层结构也变相增加了天线的复杂度和高度。所以，宽带低剖面的天线设计仍是一个巨大的难题。

本文为了降低基站天线整体的剖面高度，使用高阻抗反射表面（HIS）来代替传统的理想导体反射表面，并通过制作天线实物进一步验证设计方法的正确性。实测结果表明，制作的天线在800～960 MHz 频段内具有良好的频率响应。其中，驻波系数（VSWR）小于1.8，天线增益整个频带内在7 dB 以上，整体剖面高度小于20 mm。

1 设计原理及分析

1.1 天线设计

本文中设计的天线采用传统的贴片偶极子天线设计，天线结构如图1 所示，介质基板采用Fr-4 板材，厚度为1 mm。天线采用双面PCB 板设计，介质基板的上表面是1 对偶极子贴片辐射单元，包括1 对正交的花瓣形金属贴片，实现双极化电磁波的收发。其中1 个辐射单元靠中心处开设1 个通孔，用于同轴内芯馈电。同时，介质基板的下表面印刷有与上表面偶极子天线相互垂直的寄生贴片，寄生贴片也由1 对正交的花瓣形金属贴片构成，用于增加带宽。寄生贴片中的2 个花瓣形金属贴片之间设有1 个T 形贴片，与同轴馈电线金属外导体连接，以耦合馈电的方式给介质基板上表面的另一个金属贴片馈电。天线质基板的4 个角处分别开设通孔用于整机的安装固定。其S11仿真曲线如图2 所示，从图中可以看出，设计的天线在780～1 050 MHz 频段内的S11均在-10 dB 以下，展现出了良好的天线性能。

图1 天线结构

图2 天线的S11 仿真曲线

1.2 高阻抗表面单元设计

使用高阻抗表面（HIS）反射板作为定向辐射天线反射板时可以有效降低天线整体剖面高度。将天线分别放置在传统理想导体（PEC）和高阻抗表面（HIS）反射板上方，分别如图3（a）和图3（b）所示。波1 为电流元直接辐射的前向波，波2 为电流元辐射的后向波经反射板反射后形成的反射波。为了使天线产生有效的定向辐射，必须要让波1 和波2 在远场处形成同相位叠加，即波1 和波2 的相位差为0。若天线工作波长为λ；反射板的反射相位为φ1；天线和反射板之间的空间距离为H，则波2 到达天线处的往返传播路径为2H；传播路径2H形成的空间相位延迟为φ2，要使△φ=0，则应有

图3 天线分别放置在理想导体与高阻抗表面上的对比

可得

当用PEC 作为反射板时，φ1=π，此时H=λ/4，而当使用HIS 作为反射板时，其同相反射相位使得φ1非常小，因此H＜λ/4。因此，使用HIS 反射板作为定向辐射天线反射板时可以有效降低天线整体剖面高度。

本文中所设计的高阻抗表面单元如图4 所示，在介质基板上表面是1 正方形金属贴片作为HIS 的基本单元，贴片中心处有一金属过孔与介质板背面的金属地相连。其基本特性与mushroom 结构非常相似[7-9]。

图4 HIS 单元结构图

所设计的HIS 单元的高阻抗特性同样可以在三维电磁仿真软件中进行建模仿真获得。图5（a）和图5（b）分别是所设计的HIS 单元的阻抗特性和反射相位特性曲线。从图5（a）中可以看出，在所需要的频段范围内（800～960 MHz），HIS 反射单元的表面阻抗都有较大阻值，在谐振频点885 MHz 处表面阻抗约3 800 Ω。图5（b）展示的HIS 单元的反射相位特性，在800～960 MHz 频段范围内，反射相位都在±90°之内。

图5 HIS 单元的阻抗特性与反射相位特性曲线

2 低剖面天线设计

根据上述，使用高阻抗反射表面（HIS）代替传统的理想导体反射表面，可以有效降低天线整体的剖面高度。本文通过分别设计天线和高阻抗反射单元，最后将天线与HIS 阵列组装在一起，不仅能实现天线在频段范围内良好的驻波系数，同时通过引入HIS 单元阵列，有效地降低了天线高度，也增加了天线的增益。

2.1 HIS 阵列设计

根据1.2 节中所设计的HIS 单元，将其组成5×5 的高阻抗反射阵列，并将其与天线成45°夹角放置，同时为了在不影响天线整体性能的前提下尽量地缩小物理尺寸，高阻抗表面反射板上的4 个倒角均被切除，且高阻抗表面反射板中央不设HIS 反射单元，便于安装用于给天线馈电的同轴线缆。天线整体结构如图6 所示。

图6 天线整体结构

2.2 天线整体性能实测与验证

实测天线的驻波曲线如图7（a）所示，在790～1 060 MHz 频段中，电压驻波比（VSWR）都小于1.8，整体保持良好的电性能。天线的辐射方向图如图7（b）所示。图7（b）是中心频点时的辐射方向图，辐射增益最大方向为2°，增益最大为7.67 dB，3 dB 波束宽度为66.6°，背向辐射为-14.9 dB；由图7 可以清楚地看出所设计的低剖面天线在设计频段内既保持了良好的回波损耗，同时也保证了良好的单向辐射性能。

图7 实测天线的驻波曲线与天线的辐射方向图

3 结论

使用高阻抗反射阵列代替传统的理想导体反射面，突破了天线与反射表面必须距离四分之一波长的限制，有效减小了天线的剖面搞对。本文提出了一种基于高阻抗表面的宽带低剖面天线，主要工作在800～960 MHz，实际制作实物证明这种设计具有很好的驻波特性（小于1.8）、良好的增益（大于7 dB）以及极低的剖面高度（小于20 mm）的特点。这种设计可以应用在基站天线设计，能十分有效地降低天线的剖面高度，以及增加天线增益，改善天线的辐射特性。