梁偉龍,李 龍,巫 釗,黃艷虎

(1.南京電子技術(shù)研究所,江蘇 南京 210013;2.玉林師范學(xué)院 物理與電信工程學(xué)院,廣西 玉林 537000)

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展,無線通信環(huán)境也正在變得愈發(fā)復(fù)雜,頻譜資源趨于緊張,這對現(xiàn)代無線通信的容量和質(zhì)量提出了更高要求。 天線寬帶化和高增益可以提高通信系統(tǒng)容量和提升抗干擾能力,從而提高通信質(zhì)量[1-2]。

目前,天線寬帶化技術(shù)手段主要包括加載寄生單元、縫隙耦合饋電、漸變輻射單元等。 天線通過加載寄生單元,引入多頻諧振,從而實現(xiàn)天線寬帶化。 但傳統(tǒng)寄生貼片也會增強表面波損耗,從而降低天線效率和增益。 天線采用耦合饋電可以產(chǎn)生寄生耦合,從而降低天線Q 值,實現(xiàn)寬帶化,但寄生耦合擴頻能力有限,無法滿足超寬帶化需求。 漸變輻射單元的設(shè)計類似于Vivaldi 天線,漸變的結(jié)構(gòu)有利于優(yōu)化阻抗匹配,從而獲得寬帶性能,但增益較低、損耗高是該方法的不足之處[3-7]。

為了解決傳統(tǒng)寬帶天線增益低的問題,本文提出了一種基于人工磁導(dǎo)體的超寬帶高增益天線。 天線由輻射單元、AMC 反射板和寄生超表面單元組成。 天線的輻射單元為梯形結(jié)構(gòu),其漸變的結(jié)構(gòu)有利于天線獲得超寬帶性能。 AMC 反射板和寄生超表面單元的引入,降低了天線背向輻射水平,大大提升了天線的定向性。 此外,在輻射單元和寄生單元之間引入了寄生耦合,天線達到了改善阻抗匹配的效果。 仿真結(jié)果顯示,天線工作帶寬(|S11|≤-10 dB)達到94.8%(2.13 ～5.97 GHz),峰值平均增益9.5 dBi。

1 天線設(shè)計

天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 天線主要由3 部分組成,包含輻射單元、AMC 反射板和寄生超表面單元。 其中,AMC 反射板和輻射單元分別印刷在1 mm 和0.8 mm厚度的FR-4 介質(zhì)板上,介電常數(shù)εr為4.4。 寄生超表面單元印刷在2 mm 厚度的Rogers 4003(tm)介質(zhì)板上,介電常數(shù)εr為3.55。 輻射單元為梯形輻射貼片,它與參考地單元印刷在介質(zhì)板的同一側(cè)。 梯形輻射貼片漸變的邊緣結(jié)構(gòu)有利于調(diào)諧天線阻抗匹配,降低天線的Q 值,從而實現(xiàn)天線的寬帶特性。 AMC 反射板由9×9 四角星形AMC 單元組成,置于輻射單元下方,實現(xiàn)天線的定向輻射。 寄生超表面單元由5×5 箭形單元組成,置于輻射單元上方。 輻射單元和寄生單元之間引入寄生耦合,改變天線電流分布,通過感應(yīng)電流激勵產(chǎn)生高次模,從而改善阻抗匹配,拓展天線帶寬。 相較于傳統(tǒng)的加載寄生貼片單元的拓頻技術(shù),采用寄生超表面單元不僅沒有犧牲天線增益,相反地,顯著改善了高頻工作段的峰值增益。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

經(jīng)過仿真優(yōu)化,得到了天線最終設(shè)計及各尺寸參數(shù),如圖2 和表1 所示。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 天線分析

本文所提出天線設(shè)計步驟如圖3 所示,圖4 給出了3 種天線設(shè)計的仿真結(jié)果。 首先,根據(jù)Vivalid 天線的寬帶輻射特性,本文設(shè)計了梯形形狀的輻射貼片,輻射貼片嵌入蝕刻了梯形槽的參考地平面。 梯形輻射貼片的寬度逐漸增加,其工作原理類似喇叭天線,向外輻射電磁波。 由于不同工作頻率電磁波對應(yīng)不同的電長度,所以漸變的結(jié)構(gòu)可以滿足不同頻率電磁波的輻射需要。 因此,合理地設(shè)計梯形輻射單元的漸變幅度可以實現(xiàn)天線寬帶化性能。 最終,天線1 幾乎覆蓋了2.2 GHz 到 5.9 GHz 頻段,帶內(nèi)平均峰值增益約4.5 dBi。 雖然在4.5 GHz 附近阻抗匹配略差,但這驗證了梯形輻射單元的寬頻特性。 為了改善天線的增益性能,天線2 在天線1 的基礎(chǔ)上加入了寄生AMC 反射板。 AMC 輻射單元采用四角星結(jié)構(gòu)設(shè)計,相較于傳統(tǒng)的矩形貼片,四角星結(jié)構(gòu)可以在不增加單元尺寸的情況下,延長AMC 單元的電長度,實現(xiàn)了AMC 單元小型化。 最終,為了滿足超寬帶的反射相位,AMC 反射板置于輻射單元下約1/4λ (4 GHz)處,天線實現(xiàn)帶內(nèi)平均峰值增益約8.5 dBi。 可見,AMC 反射板的加入,大大提升了天線的定向性。

圖3 天線結(jié)構(gòu)演變

圖4 3 種天線設(shè)計性能比較

受到微帶天線固有的表面波損耗大特性的影響,天線2 高頻段的峰值增益呈下降趨勢。 為了降低天線的表面波損耗,提高天線的定向性,改善其阻抗匹配,天線3 加入了箭形超表面寄生單元。 同樣地,與矩形貼片相比,箭形單元可以延長貼片電長度,實現(xiàn)超表面的小型化。 相較于傳統(tǒng)的貼片寄生單元,超表面寄生單元可以抑制表面波損耗,從而改善天線增益天線。此外,輻射單元與寄生單元之間引入寄生耦合,引入新的諧振點,實現(xiàn)多頻諧振,改善阻抗匹配,從而實現(xiàn)了天線的超寬帶化。 最終,天線工作帶寬達到94.8%,完全覆蓋2.13 GHz 到5.97 GHz 頻帶,帶內(nèi)平均峰值增益9.5 dBi。 寄生超表面達單元的加入,改善阻抗匹配的同時,抑制表面波損耗,顯著改善了天線高頻段的增益性能。

為了進一步驗證梯形輻射貼片的寬帶特性,本文采用了特征模式分析法研究天線的寬頻特性。 由于天線輻射的本質(zhì)是邊緣輻射,所以只需對梯形貼片和參考地單元之間的梯形環(huán)縫隙進行特征模式分析,即可得到輻射單元的寬帶特性原理。 如圖5 所示,通過仿真,得到了縫隙的前6 個特征模式的模式因子MS。 可以看到,模式3 的模式因子在所研究頻帶內(nèi)小于0.2,不易被激勵。 而其余5 個特征模式的模式因子均有模式因子為1 的頻點,所以有被激勵起來的潛力。 另外,各模式諧振點下的電流分布如圖6 所示,模式1,4,6的模式電流相互抵消,因此這3 個模式也不易被激勵。模式2 的電流分布主要集中在上邊和底邊,而模式5則主要集中在底邊。 基于模式因子和電流分布特性分析,模式2,5 具備激勵起來的條件。 所以,可以在縫隙底邊位置適當(dāng)添加激勵,將特征模式2,5 激勵起來,實現(xiàn)本天線的寬帶化特性。 在輻射單元底部添加激勵后,圖7 給出了模式加權(quán)系數(shù)MWC 的仿真結(jié)果。 可見,該貼片只有特征模式2,5 被激勵起來,此仿真結(jié)果與前文分析結(jié)果一致。

圖5 模式因子MS

圖6 特征電流分布

圖7 模式加權(quán)系數(shù)

3 結(jié)語

本文提出了一款基于人工磁導(dǎo)體的超寬帶高增益天線。 天線的輻射體采用漸變結(jié)構(gòu)設(shè)計以實現(xiàn)寬帶化,引入AMC 反射板實現(xiàn)天線定向輻射。 與傳統(tǒng)的寄生單元表面波損耗嚴(yán)重不足相比,天線加載了超表面寄生單元,不僅可以改善阻抗匹配,實現(xiàn)超寬帶化,還可以抑制表面波損耗,實現(xiàn)高增益,這也是本文的亮點之一。 最終,天線工作帶寬達到94.8%,平均峰值增益9.5 dBi,滿足目前2/3/4/5G 移動通信、WiFi 無線通信和S/C 波段衛(wèi)星通信頻段,具有廣泛應(yīng)用前景和研究價值。