一种紧凑型低成本宽带高增益偶极子天线

冯建杰，龚大勇，邓 杰，俞钰峰

(1.中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴 314000；2.浙江嘉科电子有限公司，浙江 嘉兴 314033；3.杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

宽带高增益天线广泛应用于无线通信系统。喇叭天线[1]是常见的宽带高增益天线，剖面偏高和形体笨重等缺点限制了其在诸多系统中的应用。将多个宽带天线单元组成天线阵列是获得高增益天线的技术路径之一，通过设置阵元数来调整天线阵的增益，具有设计自由度高的优点。文献[2]将蝴蝶结形交叉偶极子天线作为单元，组成1个8单元双极化天线阵列，实现了1.63～2.90 GHz的工作频段和56%的相对带宽，每个极化增益可达16.0 dBi。文献[3]提出一种宽带高增益E形贴片天线及阵列，借助哑铃型光子带隙(Photonic Band Gap,PBG)结构提高了全频带增益，相对带宽为38.2%，整个频带内的增益高达13.6 dBi。文献[4]提出一种双频段高增益天线阵，由3×2个天线单元组成，低频工作于2.30～2.56 GHz频段，带内增益为14.3～15.1 dBi；高频工作频带为3.0～4.2 GHz，带内增益为16.2～17.3 dBi。文献[5]提出一种4单元天线阵，工作频段为1.69～2.50 GHz，带内增益可达13.5 dBi。这些天线阵列性能优异，但阵列中的天线单元结构复杂，每个单元都需要单独馈电，必须借助额外的功分器来实现对天线单元的馈电，带来额外的功率损耗，增加生产成本，不易批量生产。本文设计一种低成本、结构简单的宽带高增益偶极子阵列天线，仅由1块印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)、1块金属反射板和用于馈电的同轴电缆组成，无需额外功分器等馈电结构，实现了34.5%的工作带宽和高于10 dBi的带内增益。

1 天线结构

本文设计的紧凑型低成本宽带高增益偶极子天线的结构如图1所示，主要包括1块印刷电路板、1块金属反射板和1根50 Ω同轴馈线。印刷电路板是介电常数为2.55、损耗角正切为0.003、厚度为1 mm的聚四氟乙烯介质板，其上层为2×2阵元的偶极子天线阵列，用于实现天线的高增益性能，带有1/4波长阻抗变换器的馈电网络同时印刷在该介质板的两面，实现同轴馈线到天线单元的功率分配及馈电。为了获得天线的定向辐射性能，在印刷电路板下方高度25 mm处放置1块长为260 mm、宽为98 mm的金属反射板，最后由1根50 Ω同轴线从金属板下方向上延伸至介质板对天线进行馈电。

天线阵列和馈电网络的二维结构尺寸如图1(c)所示。其中，天线阵列由2×2个偶极子天线单元组成。每个偶极子天线单元由1个集成巴伦[6-7]进行馈电。馈电网络从中央馈点处分为2条100 Ω微带线，再经过1/4波长的77 Ω阻抗变换过渡到50 Ω的微带线进入4个馈电巴伦。2×2个偶极子单元为印制在介质板底层的天线阵列，偶极子天线单元的长度为L，宽度为W。天线单元在x轴方向上的间距为dx，在y轴方向上的间距为dy。巴伦结构的宽度为wba，开槽线的长度为ls，宽度为ws。馈电线的二维结构如图1(c)中弯钩结构所示，100 Ω微带线的宽度为wm，中间阻抗变换段微带线的线宽为wt、长度为lt，馈电巴伦结构的宽度为wf。巴伦结构的末端长度为lend，巴伦结构向天线馈电的馈电位置由长度lf决定。

图1 紧凑型低成本宽带高增益偶极子天线结构图

仿真优化后，天线的主要结构参数值如表1所示。

表1 天线的主要结构参数值 单位：mm

2 工作机理和参数分析

为了获得天线的高增益性能，本文设计中，将4个偶极子天线组成天线阵列。同时，为了减小天线的尺寸，2×2个偶极子单元采用并馈的方式进行馈电。天线由50 Ω同轴馈线直接馈电，若不经过阻抗变换，需要每条支路的阻抗为200 Ω，4条支路并联的阻抗才能达到50 Ω，而偶极子的阻抗一般约为73 Ω，由阻抗为200 Ω的巴伦馈电会产生阻抗失配，从而降低天线的工作带宽。因此，本文设计了一种巴伦馈电网络，通过阻抗变换的形式使得天线与馈线的阻抗相互匹配，不仅避免使用额外的功分器，还有效增加了天线带宽。该巴伦馈电网络由2条线宽为wm的100 Ω微带线、2条线宽为wt的1/4波长77 Ω微带线及4个馈电巴伦组成。50 Ω同轴馈线与并联的2条100 Ω等相位微带线连接，能量从馈线到2条支路等功率分配，再由每条支路的末端与同侧的2个50 Ω馈电巴伦相连接，最终实现从馈线到4个天线单元的等幅同相功率分配。同时，为了避免100 Ω微带线与2个馈电巴伦直接连接导致的阻抗失配，在每条支路的微带线与馈电巴伦之间引入1段77 Ω微带线作为1/4波长阻抗变换器，实现了同轴线到偶极子天线的阻抗匹配，在整个工作频段内都可以得到较低的|S11|。

馈电网络中的巴伦结构为天线引入了新的谐振模式，与偶极子的基模谐振共同作用形成多模谐振，进一步增加了天线的带宽。适当调节偶极子天线单元的参数(如长度L)及巴伦结构的参数(如巴伦结构位置参数lf)，可以调整天线的2个谐振中心至合适的频率，让天线在所需的频段内工作。

采用电磁仿真软件 Ansoft High Frequency Structure Simulator (HFSS) 15.0对天线进行仿真，得到巴伦结构中馈线位置lf和偶极子长度L对天线|S11|的影响如图2所示。

图2 巴伦结构中的馈线位置lf和偶极子长度L对天线|S11|的影响

从图2(a)可以看出，随着馈线位置lf的减小，馈线位置越来越接近缝隙底部，谐振模式向高频移动，低频谐振模式的频率基本不变，但其阻抗匹配随之变差。从图2(b)中可以看出，随着偶极子长度L的增加，低频谐振模式向低频移动，高频谐振点频率基本不变，但匹配变差。因此调节天线长度L和巴伦结构位置lf，可使天线工作在适当的频段。

3 测试结果与分析

根据表1的结构参数加工了天线样品，并进行相关测试。天线样品如图3所示。在HFSS 15.0中对天线模型进行全波仿真。使用Agilent 8719S网络分析仪对天线样品的|S11|进行测试，天线的|S11|和增益仿真结果如图4所示。

图3 天线样品图

图4 天线的|S11|和增益仿真与测试结果

从图4(a)可以看出，测试结果与仿真结果基本吻合，天线工作频段为1.94 ～2.74 GHz时，|S11|<-10 dB下的相对带宽测试值达到34.5%。从图4(b)可以看出，天线增益值的测试结果与仿真结果基本吻合，在工作频段内，增益测试值可达10.36 dBi，其中最高增益出现在2.60 GHz频点，为12.11 dBi。

分别仿真了1.92 GHz，2.30 GHz和2.72 GHz这3个频点的方向图，结果如图5所示。

图5 天线方向图仿真与测试结果

从图5可以看出，3个频点的E面和H面方向图的测试结果与仿真结果吻合良好，部分偏差可能来源于加工及测试误差。1.92 GHz，2.30 GHz和2.72 GHz频点下，天线H面的波束宽度分别为74.2°，62.8°和48.6°，E面的波束宽度分别为32.8°，36.2°和36.3°，说明天线在整个工作频段内具有稳定的典型定向辐射方向图。

选取近几年文献报道的宽带高增益天线设计方法进行对比，结果如表2所示。目前，现有阵列天线的相对带宽基本在30%以上。

表2 宽带高增益天线设计方法对比

表2中，λ0为中心频率对应的波长。天线口径效率计算公式[8]为：

(1)

式中，Ae为天线的有效口径，Ap为天线的物理口径，λ为自由空间中的波长，G为对应波长的天线增益，L和W分别为天线的口径长度及宽度。本文设计的天线在1.94 GHz频点可实现10.36 dBi的增益，该频点对应的自由空间波长为154.6 mm，天线有效口径可达19 714 mm2，而物理口径尺寸仅为260 mm × 98 mm，由式(1)计算得到天线的口径效率为77.3%，而文献[2,4-5]设计的阵列天线低频口径效率在30%～45%之间，低于本文设计的天线，说明本文设计的天线在实现高增益的同时不需要很大的口径尺寸。从表2还可以看出，本文设计的天线长度为2.03λ0，宽度为0.76λ0，天线尺寸远小于文献[2,4-5]设计的天线。同时，文献[2-5]都需要单独设计功分网络或者使用额外的功分器来实现对天线单元的馈电，而本文设计将功分网络与天线阵列集成于同一张介质板上，结构简单，制作方便，成本更低。综上分析，本文设计的宽带高增益偶极子天线具有优越电性能、低制作成本等优点，优于现有的宽带高增益天线。

4 结束语

本文采用2×2单元的偶极子天线阵列和带有1/4波长阻抗变换器的馈电网络，设计了一款无需额外功分器的宽带高增益天线。由1/4波长阻抗变换器、馈电巴伦和馈电微带线组成的馈电网络和天线阵列集成在同一介质板上，结构紧凑，不仅实现了天线宽频带、高增益与高口径效率等性能，还降低了天线的制作成本。后续计划针对低雷达散射截面的宽带高增益天线展开进一步研究。