寬帶毫米波微帶天線的設(shè)計(jì)與分析*

劉 傲，李迎松

（1.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191；2.哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

天線是一種變換器，能將傳輸線上傳導(dǎo)的導(dǎo)行波變換為在無界介質(zhì)中傳導(dǎo)的電磁波或進(jìn)行反向變換。天線在無線電設(shè)施中用來作為發(fā)射或接收電磁波的構(gòu)件[1]，在無線通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航和微波遙測(cè)與遙感器等工程中得到了廣泛應(yīng)用[2]。隨著現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，無線通信可利用的低端頻率逐漸減少，一定程度上已無法滿足人們對(duì)于現(xiàn)代無線通信日益增多的使用需求。相較于其他波段的天線，毫米波天線憑借具有帶寬較寬、探測(cè)能力較強(qiáng)、傳輸質(zhì)量較高等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中得到了日漸廣泛的應(yīng)用。

微帶天線作為一種天線形式，由于具備重量輕、體積小、剖面薄等特點(diǎn)，在無線電通信、雷達(dá)、導(dǎo)航等工程系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。然而，微帶天線的帶寬通常較窄，在毫米波段尤為明顯，一定程度上限制了毫米波微帶天線的應(yīng)用。為了使毫米波微帶天線能夠在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中獲得更多的應(yīng)用，需要拓寬傳統(tǒng)毫米波微帶天線的頻帶。國(guó)內(nèi)學(xué)者許唐紅等[3]提出了一種新型Alford 環(huán)天線，在4個(gè)偶極子Alford 環(huán)單頻天線的基礎(chǔ)上，增加內(nèi)部耦合環(huán)結(jié)構(gòu)，使天線具有較好的水平極化全向輻射性能，在MIMO 系統(tǒng)中做極化分集天線單元，得到了較為廣泛的應(yīng)用。國(guó)外學(xué)者Ahmed 等[4]提出了一種適用于5G 無線通信的三頻段緊湊型高增益微帶貼片天線。天線選用相對(duì)介電常數(shù)為2.2 的Rogers RT5880 作為基板，工作頻率設(shè)計(jì)在國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）為5G 移動(dòng)通信分配的10 GHz、28 GHz 和38 GHz 三個(gè)頻率上。在微帶天線的輻射貼片上，蝕刻一對(duì)T 型縫隙，減小了5G 無線通信系統(tǒng)與帶內(nèi)系統(tǒng)的干擾。設(shè)計(jì)的天線符合5G 通信所需的相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)要求。

本文首先介紹微帶天線的設(shè)計(jì)技術(shù)要求，其次分析影響微帶天線帶寬的因素，在矩形毫米波微帶天線設(shè)計(jì)與分析的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計(jì)出C 型和W型兩種寬帶毫米波開槽微帶天線，最后利用仿真軟件對(duì)3 種天線的輸入回波損耗、駐波系數(shù)、相對(duì)帶寬和方向性等性能參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化和比較分析。仿真結(jié)果顯示，矩形毫米波微帶天線的相對(duì)帶寬為12.42%，C 型和W 型寬帶毫米波開槽微帶天線的相對(duì)帶寬分別達(dá)到了20.73%和21.89%，較矩形毫米波微帶天線的相對(duì)帶寬大幅提高。此外，C 型和W型兩種寬帶毫米波開槽微帶天線的E 面和H 面的半功率波束寬度分別為62.8°、48.0°和63.5°、48.0°，具有良好的定向輻射特性。

1 寬帶毫米波微帶天線的設(shè)計(jì)

微帶天線是在貼有金屬接地板的介質(zhì)基片的基礎(chǔ)上貼加面單元結(jié)構(gòu)的金屬輻射貼片而制成的天線。微帶天線的性能可從輸入回波損耗、駐波系數(shù)、相對(duì)帶寬、方向圖與波瓣寬度、方向性系數(shù)、反射效率和增益等方面進(jìn)行分析。

天線的方向圖表征空間坐標(biāo)的天線輻射的電場(chǎng)或功率的分布，反映天線在全部角度的輻射函數(shù)分布圖的圖樣。實(shí)際應(yīng)用中，常用功率方向圖描繪天線的輻射特性，并且將方向圖投影到兩個(gè)相互垂直的正交的E 平面和H 平面上。E 面是電場(chǎng)方向和傳播方向組成的平面，H 面是磁場(chǎng)方向和傳播方向組成的平面。

波瓣寬度是描繪方向圖的常用參數(shù)。工程中將3 dB 波瓣寬度稱作天線方向圖的主瓣[5-7]。主瓣是最大輻射區(qū)域，主瓣之外的其他波瓣即余下輻射區(qū)域稱為旁瓣或副瓣。如果天線主瓣變小，則天線輻射的能量更加匯聚，方向性更好。

天線的方向性系數(shù)是在同一點(diǎn)處最大方向上的功率密度與相同輻射功率的各向同性天線功率密度的比值[8]，反映了天線在某一相同方向上的輻射能量匯集的程度。方向圖形態(tài)與方向性系數(shù)關(guān)系密切。天線主瓣較寬，方向性系數(shù)較?。惶炀€主瓣較窄，方向性系數(shù)較大。

本文微帶天線的設(shè)計(jì)技術(shù)要求具有良好的定向輻射特性，輸入回波損耗小于-10 dB，駐波系數(shù)小于2。矩形毫米波微帶天線的相對(duì)帶寬要求大于10%，C 型和W 型寬帶毫米波開槽微帶天線的相對(duì)帶寬要求大于20%，增益要求大于10 dB。微帶天線的輻射貼片采用矩形結(jié)構(gòu)，饋電方式采用同軸線饋電，同軸線饋電使用同軸線直接激勵(lì)輻射貼片，饋電點(diǎn)在輻射貼片范圍內(nèi)進(jìn)行選取，且同軸線處于接地板之上和貼片之下，有效避免饋線對(duì)天線輻射的影響。微帶天線同軸線饋電結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 微帶天線同軸線饋電結(jié)構(gòu)

寬帶毫米波微帶天線的設(shè)計(jì)如圖2 所示。先對(duì)矩形毫米波微帶天線進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)天線的特性參數(shù)如輸入回波損耗、駐波系數(shù)、相對(duì)帶寬和方向性進(jìn)行仿真優(yōu)化分析，比較天線尺寸對(duì)相對(duì)帶寬的影響，并結(jié)合遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的E 面和H面對(duì)天線的方向性進(jìn)行重點(diǎn)分析。

C 型和W 型寬帶毫米波開槽微帶天線是在矩形毫米波微帶天線的基礎(chǔ)上對(duì)貼片開C 型槽和W 型槽，并利用仿真軟件分析開槽深度和開槽寬度對(duì)天線主要特性參數(shù)的影響，結(jié)合遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的E 面和H 面的相關(guān)參數(shù)分析天線的定向特性，最后對(duì)設(shè)計(jì)的矩形毫米波微帶天線和C 型、W 型共3 種寬帶毫米波開槽微帶天線的主要性能進(jìn)行比較分析。

2 矩形微帶天線帶寬的影響因素

采用同軸線饋電方式的矩形微帶單層貼片天線的相對(duì)帶寬為：

式中：ρ是微帶天線的駐波比，λ0是自由空間波長(zhǎng)，εr是介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)，d是介質(zhì)基板厚度，tanδ為介質(zhì)損耗角正切，σc是導(dǎo)體的電導(dǎo)率，Nr是矩形貼片微帶天線的等效輻射電導(dǎo)與貼片尺寸的比值，即：

式中：Gr是矩形貼片微帶天線的等效輻射電導(dǎo)，a和b分別為貼片的寬和長(zhǎng)。

由式（1）和式（2）可知：

（1）當(dāng)寬長(zhǎng)比a與b的比值增加時(shí)，帶寬BW增加；

（2）當(dāng)天線介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)εr增大時(shí)，帶寬BW減小；

（3）當(dāng)天線介質(zhì)基板的厚度d變大時(shí)，帶寬BW增加。

所以，影響微帶天線相對(duì)帶寬的因素如表1所示。

表1 影響相對(duì)帶寬的因素

3 矩形毫米波微帶天線的設(shè)計(jì)

矩形毫米波微帶天線的設(shè)計(jì)采用同軸線饋電方式，天線的貼片長(zhǎng)和寬分別為b和a，介質(zhì)基板的長(zhǎng)、寬和厚度分別為b0、a0和d，貼片結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 矩形毫米波微帶天線貼片結(jié)構(gòu)

矩形毫米波微帶天線工作于TM01模，貼片長(zhǎng)度b近似等于介質(zhì)波長(zhǎng)λg的一半，且：

εe為有效介電常數(shù)，天線矩形貼片的長(zhǎng)度b與相對(duì)介電常數(shù)有關(guān)。介質(zhì)基板厚度除了影響天線的重量和體積之外，對(duì)天線的工作帶寬也有較大影響。當(dāng)介質(zhì)基板厚度d＜λ0/16，駐波系數(shù)小于2 時(shí)的帶寬經(jīng)驗(yàn)公式為[9-11]：

式中：f是諧振頻率，帶寬的單位為兆赫茲（MHz）。

適當(dāng)增加介質(zhì)基板厚度能夠有效增大天線的帶寬，但是基板厚度在一定程度上也會(huì)影響天線的效率和天線的方向圖特性[12-13]。這些因素相互制約，在確定介質(zhì)基板的厚度時(shí)要考慮多方面的因素。

當(dāng)介質(zhì)基板的材料和厚度確定后，可以選取輻射貼片的尺寸。對(duì)于輻射貼片的寬度取值存在上限，上限值為：

式中：fr為天線諧振頻率，c為光速。

長(zhǎng)度b近似等于介質(zhì)波長(zhǎng)的一半。在輻射貼片長(zhǎng)度b的實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于貼片長(zhǎng)度方向兩端存在邊緣場(chǎng)效應(yīng)，所以b的值在半波長(zhǎng)的基礎(chǔ)上再減去2Δb，即：

式中λg是介質(zhì)波長(zhǎng)，其中：

介質(zhì)基板的b0和a0的取值通常盡可能小，以減小天線體積、重量與成本：

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出諧振頻率為60 GHz的矩形毫米波微帶天線。介質(zhì)基板材料選用聚苯乙烯，相對(duì)介電常數(shù)εr為1.03，天線采用阻抗為50 Ω 的同軸線饋電。當(dāng)天線的饋電點(diǎn)位置坐標(biāo)為（0.60，0.50）時(shí)，在諧振頻率fr=60 GHz 時(shí)，天線的輸入阻抗Zin=50 Ω，與同軸饋電線的阻抗相匹配，天線設(shè)計(jì)尺寸如表2 所示。

表2 矩形毫米波微帶天線設(shè)計(jì)尺寸/mm

通過仿真與測(cè)量計(jì)算實(shí)驗(yàn)，矩形天線的輸入回波損耗、駐波系數(shù)與頻率的關(guān)系、天線的左/右諧振點(diǎn)E 面方向圖和H 面方向圖、天線的頻率與相對(duì)帶寬、天線的左/右諧振點(diǎn)E 面和H 面的方向圖參數(shù)分別如第6 部分的仿真實(shí)驗(yàn)比較與分析中的有關(guān)圖表所示。貼片長(zhǎng)度和寬度分別保持2.06 mm 和2.48 mm 定值，分別改變貼片寬度和長(zhǎng)度值時(shí)，輸入回波損耗和駐波系數(shù)與長(zhǎng)度和寬度的關(guān)系如圖4所示。貼片長(zhǎng)度和寬度為2.06 mm 和2.48 mm，改變介質(zhì)基板厚度時(shí)，輸入回波損耗和駐波系數(shù)與介質(zhì)基板厚度的關(guān)系如圖5 所示。分別改變貼片寬度、長(zhǎng)度和介質(zhì)基板厚度時(shí)的頻率與相對(duì)帶寬，分別如表3、表4 和表5 所示。其中的最低頻率、最高頻率、相對(duì)帶寬均指右諧振點(diǎn)所在工作頻帶的參量，表中的“—”表示此種情況下天線只存在單個(gè)諧振點(diǎn)。

圖4 貼片寬度和長(zhǎng)度變化與輸入回波損耗和駐波系數(shù)的關(guān)系

圖5 介質(zhì)基板厚度與輸入回波損耗和駐波系數(shù)的關(guān)系

表3 改變貼片寬度時(shí)的頻率與相對(duì)帶寬

表4 改變貼片長(zhǎng)度時(shí)的頻率與相對(duì)帶寬

表5 改變介質(zhì)基板厚度時(shí)的頻率與相對(duì)帶寬

當(dāng)貼片寬度或長(zhǎng)度變化時(shí)，諧振點(diǎn)的位置發(fā)生變化，寬度增加，天線諧振頻率逐漸減小且右諧振點(diǎn)時(shí)的輸入回波損耗和駐波系數(shù)減小，天線的相對(duì)帶寬片增加；長(zhǎng)度增加，天線諧振頻率減小且右諧振點(diǎn)時(shí)的輸入回波損耗和駐波系數(shù)增大，天線的相對(duì)帶寬減小。因此，貼片的寬長(zhǎng)比增加時(shí)，天線的相對(duì)帶寬增大。

當(dāng)介質(zhì)基板厚度變化時(shí)，諧振點(diǎn)的位置隨之改變，厚度增加，天線諧振頻率減小，且右諧振點(diǎn)時(shí)的輸入回波損耗和駐波系數(shù)減小，天線的相對(duì)帶寬隨介質(zhì)基板厚度的增加而增大。

4 C 型寬帶毫米波開槽微帶天線的設(shè)計(jì)

C 型寬帶毫米波開槽微帶天線是在矩形毫米波微帶天線的基礎(chǔ)上對(duì)貼片開C 型槽。在貼片上開槽[14]，實(shí)質(zhì)上是槽邊緣電流引入了附加諧振。開槽增加容抗，減弱探針的感抗，增大了矩形毫米波微帶天線的頻帶。C 型寬帶毫米波開槽微帶天線貼片結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

槽深Ca和槽寬Cb變化時(shí)，諧振點(diǎn)的位置發(fā)生變化。當(dāng)貼片開槽深度和開槽寬度逐漸增加時(shí)，天線由單頻點(diǎn)變?yōu)殡p頻點(diǎn)且天線頻帶寬度逐漸增大，右諧振點(diǎn)處的輸入回波損耗逐漸變?。婚_槽深度使兩個(gè)諧振點(diǎn)均逐漸向左移動(dòng)，開槽寬度使天線諧振頻率先逐漸降低而后逐漸增加。隨著開槽深度或槽寬繼續(xù)增加時(shí)，兩個(gè)諧振點(diǎn)之間的部分帶寬已不再滿足輸入回波損耗小于-10 dB、駐波系數(shù)小于2 的條件。槽深Ca和槽寬Cb與輸入回波損耗和駐波系數(shù)的關(guān)系如圖7 所示。

圖6 C 型寬帶毫米波開槽微帶天線貼片結(jié)構(gòu)

圖7 槽深Ca 和槽寬Cb 與輸入回波損耗和駐波系數(shù)的關(guān)系

綜合以上因素，選取開槽深度Ca為0.48 mm，開槽寬度Cb為0.68 mm。當(dāng)天線的饋電點(diǎn)位置坐標(biāo)為（0.61，0.49）時(shí)，諧振頻率fr=60 GHz 時(shí)，天線的輸入阻抗Zin=50 Ω，與同軸饋電線的阻抗相匹配。C型寬帶毫米波開槽微帶天線的設(shè)計(jì)尺寸如表6 所示。

表6 C 型寬帶毫米波開槽微帶天線設(shè)計(jì)尺寸/mm

根據(jù)表6 的設(shè)計(jì)尺寸和饋電點(diǎn)的坐標(biāo)（0.61，0.49）進(jìn)行仿真與測(cè)量計(jì)算實(shí)驗(yàn)，C 型天線的輸入回波損耗、駐波系數(shù)與頻率的關(guān)系、天線的左/右諧振點(diǎn)E 面方向圖和H 面方向圖、天線的頻率與相對(duì)帶寬、天線的左/右諧振點(diǎn)E 面和H 面的方向圖參數(shù)分別如第6 部分仿真實(shí)驗(yàn)比較與分析中的有關(guān)圖表所示。

5 W 型寬帶毫米波開槽微帶天線的研究與設(shè)計(jì)

W 型寬帶毫米波開槽微帶天線是在矩形毫米波微帶天線的基礎(chǔ)上對(duì)貼片開W 型槽，貼片結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

槽深Wa和槽寬Wb變化時(shí)，諧振點(diǎn)的位置發(fā)生變化。當(dāng)貼片開槽深度或開槽寬度逐漸增加時(shí)，天線由單頻點(diǎn)變?yōu)殡p頻點(diǎn)，且天線頻帶寬度逐漸增大，開槽深度使兩個(gè)諧振點(diǎn)均逐漸向左移動(dòng)，開槽寬度使右諧振點(diǎn)逐漸向右移動(dòng)。開槽深度或開槽寬度逐漸增加到一定程度再繼續(xù)增加時(shí)，天線的頻帶寬度逐漸減小，右諧振點(diǎn)處的輸入回波損耗逐漸變小，兩個(gè)諧振點(diǎn)之間的部分帶寬不再滿足輸入回波損耗小于-10 dB、駐波系數(shù)小于2 的條件，天線的匹配特性變差。Wa和槽寬Wb與輸入回波損耗和駐波系數(shù)的關(guān)系如圖9 所示。

圖8 W 型寬帶毫米波開槽微帶天線貼片結(jié)構(gòu)

圖9 槽深Wa 和槽寬Wb 與輸入回波損耗和駐波系數(shù)的關(guān)系

綜合上述因素，選取開槽深度Wa為0.58 mm，開槽寬度Wb為0.50 mm。當(dāng)天線的饋電點(diǎn)位置坐標(biāo)為（0.61，0.49）時(shí)，諧振頻率fr=60 GHz 時(shí)，天線輸入阻抗Zin=50 Ω，與同軸饋電線的阻抗相匹配。W型寬帶毫米波開槽微帶天線設(shè)計(jì)尺寸如表7所示。

表7 W 型寬帶毫米波開槽微帶天線設(shè)計(jì)尺寸/mm

根據(jù)表7 的設(shè)計(jì)尺寸和饋電點(diǎn)的坐標(biāo)（0.61，0.49）進(jìn)行仿真與測(cè)量計(jì)算實(shí)驗(yàn)，W 型天線天線的輸入回波損耗、駐波系數(shù)與頻率的關(guān)系、天線的左/右諧振點(diǎn)E 面方向圖和H 面方向圖、天線的頻率與相對(duì)帶寬、天線的左/右諧振點(diǎn)E 面和H 面的方向圖參數(shù)分別如第6 部分的仿真實(shí)驗(yàn)比較與分析中的有關(guān)圖表所示。

6 仿真實(shí)驗(yàn)比較與分析

矩形毫米波微帶天線和在它基礎(chǔ)上開槽而成的C 型和W 型寬帶毫米波開槽微帶天線采用相同的介質(zhì)基板材料和輻射貼片材料。饋電方式采用同軸線饋電。為了驗(yàn)證天線的性能，采用3 維電磁仿真軟件CST 對(duì)所設(shè)計(jì)的3 種毫米波天線的輸入回波損耗、駐波系數(shù)、相對(duì)帶寬、方向性等性能參數(shù)進(jìn)行仿真比較與分析。3 種天線的輸入回波損耗和駐波系數(shù)曲線、天線的左/右諧振點(diǎn)E 面方向圖和H 面方向圖分別如圖10～圖12 所示。

圖10 天線的輸入回波損耗和駐波系數(shù)曲線

圖11 天線的左諧振點(diǎn)E 面方向圖和H 面方向圖

圖12 天線的右諧振點(diǎn)E 面方向圖和H 面方向圖

3 種天線的頻率與相對(duì)帶寬、左/右諧振點(diǎn)E面和H 面的方向圖參數(shù)分別如表8～表12 所示。

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）矩形毫米波微帶天線、C 型寬帶毫米波開槽微帶天線和W 型寬帶毫米波開槽微帶天線滿足輸入回波損耗小于-10 dB、駐波系數(shù)小于2 的相對(duì)帶寬分別為12.42%、20.73%、21.89%，三者帶寬均大于且后兩者明顯大于設(shè)計(jì)所需的高于10%的技術(shù)指標(biāo)要求。C 型寬帶毫米波開槽微帶天線和W型寬帶毫米波開槽微帶天線的相對(duì)帶寬分別是矩形毫米波微帶天線的1.67 倍和1.76 倍，相對(duì)帶寬得到較大幅度的提高，W 型寬帶毫米波開槽微帶天線的帶寬比C 型寬帶毫米波開槽微帶天線稍高。

表8 天線的頻率與相對(duì)帶寬

表9 天線的左諧振點(diǎn)E 面的方向圖參數(shù)

表11 天線的右諧振點(diǎn)E 面的方向圖參數(shù)

表12 天線的右諧振點(diǎn)H 面的方向圖參數(shù)

（2）在左諧振點(diǎn)和右側(cè)60 GHz 諧振點(diǎn)處，W 型寬帶毫米波開槽微帶天線的輸入回波損耗分別為-23.62 dB、-29.74 dB，C 型寬帶毫米波開槽微帶天線的輸入回波損耗分別為-21.09 dB、-19.82 dB，表明W 型寬帶毫米波開槽微帶天線的反射效率強(qiáng)于C 型寬帶毫米波開槽微帶天線的反射效率。

（3）3 種毫米波天線的增益較為接近且均大于10 dB，表明3 種天線均具有一定的高增益特性。

（4）在方向性方面，C 型寬帶毫米波開槽微帶天線和W 型寬帶毫米波開槽微帶天線在左諧振點(diǎn)處的E 面和H 面的半功率波束寬度分別為55.9°、63.4°和55.9°、66.0°，在60 GHz 諧振點(diǎn)處的E面和H 面的半功率波束寬度分別為62.8°、48.0°和63.5°、48.0°。兩型寬帶毫米波開槽微帶天線的主瓣遠(yuǎn)大于旁瓣，天線能量主要集中于主瓣上，具備良好的定向輻射特性。

7 結(jié)語

本文通過在矩形毫米波微帶天線設(shè)計(jì)與分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出C 型和W 型兩種寬帶毫米波開槽微帶天線，并利用仿真軟件對(duì)3 種天線的性能進(jìn)行仿真優(yōu)化和比較分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的微帶天線具有良好的相對(duì)帶寬和定向輻射特性，滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，拓寬了微帶天線在工程系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍。