K 波段在片天线设计

王莹莹 WANG Ying-ying

（江苏科技大学苏州理工学院，苏州 215000）

1 研究背景

微带贴片天线以其平面轮廓的通用性、易于加工、与集成电路的兼容性和易于共形等优点而成为设计者们的最爱[1-4]。然而，它也存在明显的缺点就是带宽窄，这使得它在无线通信高速数据传输领域的应用受到了很大的限制。

从20 世纪80 年代中期开始到20 世纪90 年代，许多研究都致力于宽带化的一般原理以此来指导扩大贴片天线的带宽的设计[5，6]。为有效设计宽带贴片天线而开发的方法基于以下一项或多项原则：①采用低介电常数的厚衬底；②设计一种方法减少与厚衬底相关的失配问题；③利用寄生单元或缝隙，在主谐振附近引入新的谐振，或使现有谐振接近另一个谐振，从而获得总体更宽的频带响应。研制的设计包括：①带共面寄生单元的环形间隙探针补偿贴片；②叠层贴片；③U 型槽贴片；④L 型探针馈电贴片；⑤弯曲探针馈电贴片[7-9]。

提出的贴片天线单元采用微带寄生辐射结构，在主矩形驱动贴片天线单元两侧加载两个基于电磁耦合激励的矩形寄生贴片天线单元。寄生贴片天线单元通过在主谐振点附近引入额外的邻近谐振点来扩展整个天线单元的阻抗带宽，从而帮助实现天线阵列的宽带工作。采用二阶1-4 功分器并联设计以达到1-16 的紧凑平面微带馈电网络，通过在枝节终端的切角处理以抑制边缘杂散辐射，并且通过多个四分之一波长阻抗变换器的并联来实现馈电端口和辐射终端馈电端口的特征阻抗满足设计要求。

2 天线阵列结构及仿真结果

2.1 2×2 贴片天线子阵列及其仿真结果

所提出的天线设计选择低损耗的高频板材Rogers 4003C（εr=3.38，tanδ=0.0027）作为介质基板，介质基板高度为0.508mm。根据贴片天线的计算公式计算出矩形贴片的初始尺寸[10]，并在商业电磁仿真软件HFSS 中建模并优化。借助CAD 软件中的微带线特征阻抗计算器计算出馈电网络中所需特征阻抗微带线的尺寸作为建模的初始值，并带入HFSS 中迭代优化并保证端口幅度和相位均衡分配的同时，最大化各个终端端口之间的隔离度。本文的设计中，终端端口的特征阻抗设置为100Ω，功分器中心处的特征阻抗设置为50Ω，四分之一波长阻抗变换器的特征阻抗设置为70.7Ω，最终优化得到整个2×2 天线子阵结构如图1所示。

图1 2×2 贴片天线子阵列

在贴片天线宽度W 远大于其介质厚度h 和介质基板的介电常数ε 远大于1 时，电场集中在传输线和接地平面中。而事实上，在传输线的两侧还存在一定的边缘电场，一部分在空气中传播，一部分在传输线边缘传播，使得电场分布的尺寸比传输线的尺寸略大，因此引入一个有效介电常数εeff，考虑边缘和传输线中的电场传播：

由于边缘效应，微带传输天线的电尺寸要比实际尺寸大，沿着L 方向的电场分布被拉长了△L，这个值和有效介电常数、宽度/高度有关，估计值由下式给出：

为了有效产生辐射，实际中的经验将W 和L 设置为：

通常贴片的长度L 大约为0.47-0.49 倍的介质波长λd。介电常数越低的介质，边缘效应越明显，需要的贴片长度更短。

天线单元采用寄生贴片结构，在开槽的矩形贴片两侧加上两块寄生矩形贴片，开槽和加寄生贴片的目的都是引入额外的谐振点来拓宽阻抗带宽，通过合理地调整贴片的尺寸，使得这些额外的谐振点分布在合理的位置可以得到非常宽的阻抗带宽。馈电网络是一个一分四的双T 形功分器，该功分器上有两段四分之一波长阻抗变换器，用于实现贴片单元和馈电网络之间的阻抗变换[11]。此外，在馈电网络上刻蚀一对三角形缝隙也是为了更好地实现馈电网络的阻抗匹配，当天线的工作频率超过3GHz 后，这样的切割倒三角形设计可以明显减小反射系数，从而增加阻抗带宽。

2.2 提出的CPW 结构及其仿真结果

提出的CPW 结构主要包括中间芯线和两侧的地线，影响CPW 结构端口匹配和端口之间转换效率的主要参数是两侧地线与中间芯线之间空隙的宽度，空隙越宽阻抗带宽也就越宽，插入损耗也就越小。在仿真软件HFSS 中重点考察端口的反射系数和传输系数，并进行多次迭代、优化，得到图2 所示结果。

图2 提出的CPW 结构

如图3 所示，提出的CPW 结构在18-26GHz 带宽范围内，|S11|均＜-25dB，显示出优异的阻抗匹配性能。

图3 提出的CPW 结构的|S11|

如图4 所示，提出的CPW 结构在18-26GHz 带宽范围内，|S12|均＞-1dB，显示出优异的转换效率，这也意味着该CPW 到微带线转换结构的插入损耗是非常低的，可以有效地避免了由于该结构引入而造成整体天线阵列增益的明显下降。

图4 提出的CPW 结构的|S12|

2.3 4×4 贴片天线阵列结构及其仿真结果

将前述的2×2 贴片天线子阵进一步扩展以获得更高的增益并得到4×4 贴片天线阵列。为了使阵列单元之间保持合适的间距，主干部分的功分器采用了弯折结构，每处弯折结构都有45°切角设计，以保证良好的信号传输。构建好整个天线阵列并在HFSS 中对整个天线的尺寸进行迭代和优化，以获得好的阻抗带宽、方向图以及增益带宽，最终结果如图5 所示。

图5 4x4 贴片天线阵列

如图6-图9 所示，4×4 贴片天线子阵列的阻抗带宽范围为19.8-22.8GHz，E 面方向图的峰值增益达到16dB，归一化交叉极化约为-22dB，副瓣电平（SLL）＜-14.5dB；H 面方向图的峰值增益达到16dB，归一化交叉极化约为-16dB，副瓣电平（SLL）＜-14dB；峰值增益在13.42GHz 处取得16.5dBi，3dB 增益带宽范围为19.2-22.8GHz，同时也可以看出在3dB 增益带宽范围内，增益曲线很平稳，具有良好的增益平坦度。

图6 4×4 贴片天线阵列的阻抗带宽

图7 4×4 贴片天线阵列的E 面方向图

图8 4×4 贴片天线阵列的H 面方向图

图9 4×4 贴片天线阵列的增益

3 结束语

在已经到来的5G 时代，为了集成化的考虑，在片天线会越来越受到广泛的重视。相较于传统天线，在片天线具有相当明显的优势：尺寸小、插入损耗低、集成度高、可靠性高等优点。本文基于PCB工艺设计了一款微带馈电的贴片天线阵列，该天线阵列具有宽带、低交叉极化、低成本、结构紧凑以及低剖面等优点，适用于5G 中的K 波段在片天线的应用。