一種基于緊耦合技術(shù)的小型超寬帶陣列天線*

陳 珊，劉運林

0 引 言

超寬帶技術(shù)抗多徑效應(yīng)，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、數(shù)據(jù)傳輸率高、系統(tǒng)容量大等，被廣泛應(yīng)用于無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)。2002年，美國聯(lián)邦委員會（FCC）批準(zhǔn)將3.1～10.6 GHz作為民用通信頻段，自此超寬帶天線作為其不可或缺的部分得到了廣泛關(guān)注。

經(jīng)過多年發(fā)展，出現(xiàn)了多種多樣的超寬帶天線，包括喇叭天線、vivaldi天線、對數(shù)周期天線和蝶形偶極子天線等[1-3]。分形天線一直是偶極子天線單元的常用結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[4]中，多次迭代的科赫天線具有良好的寬帶特性。文獻(xiàn)[5]中，利用錐形結(jié)構(gòu)的不平衡巴倫彌補(bǔ)偶極子的不平衡電流，同時接地面電流與輻射面相反，使偶極子天線能產(chǎn)生最大輻射。文獻(xiàn)[6]提出了一種帶寬在2～3 GHz的寬帶天線，由高阻抗表面（HIS）和蝶形偶極子天線構(gòu)成。文獻(xiàn)[7]提出了一種水平極化全向天線，12個偶極子單元邊緣重疊放置形成一個圓環(huán)以產(chǎn)生強(qiáng)耦合，利用一列置于偶極子周圍引向元來提高天線在水平面的輻射，其工作頻帶達(dá)到了70.2%（1.7～3.54 GHz），覆蓋了整個2G/3G/LTE頻帶。文獻(xiàn)[8]中提出了一種由雙偶極子單元組成的緊耦合偶極子陣列，可將影響帶寬的共模諧振移出工作頻帶范圍，陣列帶寬達(dá)到3∶1（3～9 GHz）。

基于以上研究可見，偶極子天線本身具有較寬的寬帶特性、結(jié)構(gòu)簡單、極化特性較佳、易于組陣等優(yōu)點。因此，本文以蝶形偶極子天線為基礎(chǔ)，結(jié)合彎折偶極子臂等方式，有效減小天線尺寸，利用三維電磁仿真軟件HFSS對其進(jìn)行仿真優(yōu)化，獲得了超寬帶、低交叉極化等特性。

1 緊耦合技術(shù)原理

與傳統(tǒng)天線陣不同的是，緊耦合陣列天線單元間距很小，因此單元末端會產(chǎn)生較強(qiáng)耦合電容。它的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路圖如圖1所示。將接地面看做長度為h的傳輸線，其特性阻抗為ZGP，偶極子單元等效電感為L，單元間的互耦電容為C，那么天線單元輸入阻抗為：

其中η0=120π Ω為自由空間波阻抗。在低頻段，天線單元間產(chǎn)生的強(qiáng)耦合電容可與天線本身電感及由接地產(chǎn)生的感抗ZGP相抵償，使天線輸入阻抗相位在寬頻帶范圍內(nèi)有較小變化，最終實現(xiàn)超寬帶，同時由單元間的緊密排列實現(xiàn)小型化。

圖1 緊耦合偶極子天線陣列

2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

蝶形偶極子天線是超寬帶天線中常用的一種天線形式。本文在蝶形偶極子的基礎(chǔ)上改進(jìn)單元結(jié)構(gòu)，采用緊耦合技術(shù)拓展其帶寬。如圖2所示，將蝶形偶極子天線加載在一塊相對介電常數(shù)為3、厚度為8.4 mm的Rogers RO3003介質(zhì)基板上。改進(jìn)后的天線以上述蝶形偶極子天線為基礎(chǔ)，將其偶極子臂末端縱向彎折，折疊高度為0.51 mm，其平面尺寸不變，如圖3所示，天線單元間隔d=0.1 mm，尺寸大小為W×L（W=8 mm，L=88.6 mm）。為方便研究，將兩種偶極子單元天線分別簡單地進(jìn)行一維線性排列組陣，組陣方式如圖4所示。天線的尺寸參數(shù)如表1所示。

圖2 平面偶極子天線單元結(jié)構(gòu)

圖3 改進(jìn)后的偶極子天線單元結(jié)構(gòu)

圖4 組陣示意

表1 天線尺寸

3 仿真結(jié)果分析

利用三維電磁仿真軟件對天線的各項性能指標(biāo)進(jìn)行仿真，如回波損耗、輻射方向圖以及增益變化等，并分析研究改進(jìn)結(jié)構(gòu)對天線性能的影響。

首先，對平面蝶形偶極子天線進(jìn)行仿真研究，其單元天線的電壓駐波比曲線如圖5（a）所示，其阻抗帶寬為8.32～9.83 GHz。采用簡單的一維緊耦合組陣方式后，陣列天線的電壓駐波比如圖5（b）所示，其阻抗帶寬為5.87～11.56 GHz（65.29%）。由此可見，通過緊湊排列組陣后，天線的頻帶寬度大幅增加。與傳統(tǒng)天線陣列避免單元互耦效應(yīng)不同，由于天線單元間緊密排列，單元間產(chǎn)生耦合電容，將與天線本身電感、接地面引入的電感分量相抵消，從而展寬帶寬。

圖5 駐波系數(shù)仿真結(jié)果

在上述天線單元的基礎(chǔ)上，對其振子臂進(jìn)行折疊改進(jìn)后，其單元天線的電壓駐波比曲線如圖5（a）所示，其阻抗帶寬為8.27～9.88 GHz。將其進(jìn)行一維線性組陣后，如圖5（b）所示，其工作頻帶范圍為4.08～12.43 GHz（3.05∶1）。與平面偶極子天線相比，改進(jìn)后的單元天線的帶寬改變較小，但經(jīng)過緊耦合組陣后，其頻帶寬度明顯拓寬。可見，改進(jìn)后的折疊振子臂對陣列天線帶寬有很大的拓寬作用。由于對單元天線臂在豎直方向上進(jìn)行折疊，組成陣列后，其單元間的互耦作用相較于平面陣列大大增強(qiáng)，因此單元間的耦合電容增大，從而展寬工作頻帶。由圖5（b）可知，展寬頻帶效果在低頻段更為明顯，與緊耦合技術(shù)原理相符合。同時，由圖6的史密斯圓圖可以看出，偶極子陣列天線通過改進(jìn)，其阻抗匹配諧振點增加。

圖6 S11史密斯圓圖

改進(jìn)后的一維天線陣列的E面和H面的主極化與交叉極化方向圖，分別如圖7、圖8所示。可知，交叉極化電平隔離度高于50 dB，具有較好的極化特性，H面具有全向輻射特性。陣列的增益隨頻率變化曲線如圖9所示，可見天線具有較穩(wěn)定增益，增益范圍為4.8～9.9 dB。

圖7 E面方向圖

圖8 H面方向圖

圖9 增益隨頻率變化曲線

4 結(jié) 語

本文采用緊耦合技術(shù)將偶極子天線單元緊密組陣，對平面偶極子振子臂末端進(jìn)行縱向折疊，使天線單元間耦合增強(qiáng)，展寬天線帶寬。這種方式使天線具有較小尺寸，同時具有寬頻工作的性能。改進(jìn)后的緊耦合陣列天線阻抗帶寬為4.08～12.43 GHz（3.05∶1），且具有較高增益，如在7.4 GHz時達(dá)到了9.9 dB；E面具有雙向輻射特性，在H面具有全向輻射特性；同時交叉極化隔離度高于50 dB，具有較好的極化特性，可用于超寬帶通信。

[1] Schantz H G.A Brief History of UWB Antennas[J].Aerospace and Electronic Systems Magazine IEEE,2004,19(04):22-26.

[2] 鐘順時,梁仙靈,延曉榮.超寬帶平面天線技術(shù)[J].電波科學(xué)學(xué)報,2007,22(02):308-315.

[3] Rumsey V H,Booler H G,Declatis N.Frequency Independent Antennas[M].New York:Academic Press,1957.

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