一種新型的高增益低剖面天線﹡

楊奮華， 湯 煒

（華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門 361021）

0 引言

為了支持各種新興的服務和設備，無線通信正大勢發(fā)展，而用戶對通信質量的要求越來越高使得許多學者都在關注如何提高天線性能。目前，天線正往小型化，多頻帶，多功能等方向發(fā)展[1-4]。傳統(tǒng)天線以電導體平面作為反射面，根據(jù)鏡像原理，水平天線在理想電導體(PEC，Perfect Electric Conductor)面上會產(chǎn)生與原來電流方向相反的鏡像電流，反射場產(chǎn)生1800的相位差。這時候要保證水平輻射天線與反射面之間的距離不小于 λ/4（λ是工作頻率的自由空間波長），以減小入射波與反射波之間的干擾[5]。故而采用PEC反射板不利于天線的小型化。

人工磁導體(AMC，Artificial Magnetic Conductor)具有理想磁導體的零相位反射特性，可用作反射面以降低天線的高度[6],且采用AMC反射面時，入射場與反射場同相疊加使得天線增益將提高3 dB。此外，AMC具有高阻抗表面特性能提高陣列天線的前后比。該文將目標集中在長期演進(LTE，Long Term Evolution) 通信中的2 500～2 690 MHz頻段，設計了一款寬頻帶的高增益低剖面天線。

1 單元設計與分析

常見的AMC模型可分為兩類，一類為過孔式結構，另一類為無過孔結構。過孔式結構與無過孔結構都具有零相位反射特性，且無過孔結構少了短路探針，結構簡單，該文主要利用其零相位反射特性因而采用無過孔結構。圖 1是本文提出的梅花形AMC單元。介質板的一邊是梅花形狀的貼片，另一邊接地。梅花貼片是由四個大小相等，相互對稱的圓形貼片融合而成。結構上層的梅花形金屬貼片表現(xiàn)為容性，而下層的接地介質板表現(xiàn)為感性，整個結構相當于頻率選擇表面（FSS，F(xiàn)requency Selective Surface）加上接地板[7]。

圖1 AMC單元

2 結構仿真

單元結構中介質板的型號是羅杰斯 RT/Duroid 6010，其相對介電常數(shù)為10.2，厚度為3 mm。在設計天線的過程中，反射相位是一個需要特別考慮的參數(shù)，因為反射相位特性直接影響到合成天線的性能。AMC單元的帶寬是反射場的相位在±900之間的頻段。經(jīng)有限元法計算，圖 2給出了梅花單元的反射相位曲線。由圖可知，該單元的中心頻率為4.05 GHz，900對應的頻率點為3.61 GHz，-900對應的頻率為4.51 GHz，相對帶寬達22.2%。

圖2 梅花形狀AMC的反射相位曲線

3 天線設計與硬件實現(xiàn)

此前提及的 AMC單元都是基于無限大周期結構的理論模型，但在實際中，不可能采用無限大的周期結構作為反射板。該文以 5×7梅花陣列代替無限大周期結構，并在此基礎上設計了兩款低剖面天線。一款是采用偶極子天線作為輻射天線來驗證可行性，而另一款是采用蝶形印刷天線來拓展帶寬。

3.1 偶極子天線設計

圖 3所示的是采用偶極子天線作為輻射天線的合成天線。介質板的厚度h1=3 mm，水平天線與AMC反射面的間距h2=5 mm，圖1中的參數(shù)r=2.3 mm，單元尺寸a =10.2 mm，偶極子單臂長度l=17.4 mm。天線總體高度為9 mm。

圖3 合成天線

仿真結果如圖4、圖5所示。由圖4得合成天線的S11參數(shù)在-10 dB以下的頻率范圍是3.21～3.52 GHz，相對帶寬達到8.68%。圖5給出了增益模型的E面與H面，由圖可知中心頻率的增益達到10.67 dBi。E面與H面的半功率波束寬度分別為66°與37°。從上述結果得出，合成天線由于三單元的八木天線。

圖4 合成天線的S11曲線

圖5 偶極子天線的E面和H面增益方向圖

3.2 蝶形天線設計

3.1 節(jié)中設計的偶極子天線由于窄帶寬而不能直接應用于無線通信系統(tǒng)中。在寬帶天線中，蝶形天線[8]由于具有結構簡單、緊湊，剖面低等優(yōu)點，常被用作輻射天線。圖 6所示的是一個蝶形印刷天線位于梅花形反射面上。輻射天線是在介質板的兩邊分別蝕刻方向相反的蝶形單臂。介質板采用的是羅杰斯 TMM4(tm),其相對介電常數(shù)為 4.5，厚度為 0.5 mm。兩個蝶形臂分別通過50 ?的傳輸線饋電。各個幾何參數(shù)設置如下：Dx=94.15 mm，Dy=56.625 mm。蝶形臂的長度d=17.8 mm，l1=11 mm，l2=4 mm.

為了獲得更低工作頻率，讓天線工作于LTE頻段中，AMC的單元尺寸必須增大。圖1中的參數(shù)修改為r=3.28 mm，a=13.45 mm。為了使天線的性能最佳，將h2設置為變量。圖7顯示的是h2分別為4.5 mm、6 mm、7.5 mm、9 mm時的S11參數(shù)。

圖6 蝶形天線

圖7 懸置于AMC表面上的蝶形天線的S11曲線

由圖7得出結論，當高度h2=6 mm時，S11在-10 dB以下的頻率范圍最寬，從2.47～2.77 GHz,覆蓋了LTE從 2.5～2.69 GHz的范圍，并且相對帶寬達到了11.63%。圖8顯示了中心頻率2.58 GHz增益模型的E面與H面。其峰值增益為9.67 dBi，前后比大于25 dB，結果顯示優(yōu)于傳統(tǒng)天線。同時，天線總體高度只有9.5 mm，相當于2.58 GHz自由空間波長的1/12。

圖8 蝶形天線的E面和H面增益方向圖

4 結語

文中提出了一種新型的用于LTE通信系統(tǒng)中的高增益低剖面天線。通過數(shù)值仿真顯示了梅花形AMC的寬帶性能。同時，采用蝶形印刷天線作為輻射天線可獲得更寬的帶寬。通過優(yōu)化得到合成天線的總體高度為9.5 mm，相當于工作頻率自由空間波長的1/12。而且，天線的增益達到9.67 dBi，高于三單元八木天線。

[1] 鐘順時.天線理論與技術[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011:465-481.

[2] 李嘯嘯,袁正道,朱燦焰.一種雙饋雙頻天線的設計和仿真測試[J].通信技術,2011,44(12):13-18.

[3] 陸小芳,單志勇.一種新型小型雙頻微帶天線的設計與分析[J].通信技術,2011,44(04):55-58.

[4] 王國超,許家棟.改進共面波導饋電的雙頻單極子天線設計[J].信息安全與通信保密,2010(07):35-41.

[5] TRENTINI G V.Partially Reflecting Sheet Arrays[J].IRE Trans. on Antennas Propag.,1956(04):666-671.

[6] SIEVENPIPER D,LIJUN Z,BROAS R F J,et al.High-impedance Electromagnetic Surfaces with a Frbidden Frequency Band[J].IEEE Trans. on Microw.Theory Tech.,1999,47(11):2059-2074.

[7] DIAZ R,SANCHEZ V,CASWELL E,et al.Magnetic Loading of Artificial Magnetic Conductors for Bandwidth Enhancement[C].USA:IEEE,2003:431-434.

[8] A1-NUAIMI M K T,WHITTOW W G.Novel Planar AMC for Low-profile Antenna Applications[J].Antenna and Propagation Conference,2009(16-17):145-148.