高階模高增益貼片天線的分析與設(shè)計綜述

洪凱東，張 曉，祝 雷，陳 哲，袁 濤

1)深圳大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東省移動終端微波毫米波工程技術(shù)研究中心，ATR國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東深圳 518060；2)澳門大學(xué)科技學(xué)院，澳門 999078

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展和各種無線通信產(chǎn)品的普及，無線通信系統(tǒng)對天線結(jié)構(gòu)和性能的要求越來越高．貼片天線因其具有剖面低和易加工等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于各類無線通信設(shè)備中．然而，貼片天線的低增益特性也限制了它在中遠(yuǎn)距離無線通信中的應(yīng)用[1]．為提高貼片天線的增益，近年來許多學(xué)者做了大量研究，提出了4種高增益技術(shù)．除了利用傳統(tǒng)的陣列設(shè)計外，貼片天線高增益的技術(shù)大致可分為：① 寄生輻射單元技術(shù)[2-3]．通過在天線同一平面或上方引入額外的寄生單元來增大輻射面積．與傳統(tǒng)陣列天線技術(shù)相比，這類天線不需要額外復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，減少了饋電損耗．但是，這類天線通常都有剖面高和口徑效率較低的缺點(diǎn)．② 部分反射表面技術(shù)．在天線上方覆蓋一個面積較大的周期性結(jié)構(gòu)[4]或高介電常數(shù)基板[5]，使其與底板構(gòu)成一個Fabry-Perot諧振腔，通過腔內(nèi)電磁波的多次反射增大天線的輻射面積．但是，這類天線的剖面過高，反射面離地板約半個波長，且?guī)捿^窄．③ 短路加載技術(shù)[6-7]．通過在天線腔內(nèi)電場較強(qiáng)的位置加載短路銷釘，擾動貼片天線的場分布，在不改變貼片物理尺寸的情況下提高天線的諧振頻率，有效增大了貼片諧振時的電尺寸．該技術(shù)可將單個貼片天線的增益提高至11 dBi左右，但最大可實(shí)現(xiàn)增益仍不夠高．④ 高階模諧振技術(shù)[8-31]．通過用高階模代替低階基模，使貼片天線獲得更大的諧振尺寸．以矩形貼片天線為例，工作于TM03模時的輻射面積是它工作于TM01模時的9倍．相比前3種高增益技術(shù)，高階模貼片天線維持了極低的天線剖面，單元輻射面積大，不需要額外的寄生結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)高增益性能，能代替小規(guī)模陣列，簡化了饋電網(wǎng)絡(luò)并有利于提高天線的輻射效率，有重要的實(shí)用價值．

盡管高階模貼片天線天然地有利于實(shí)現(xiàn)高增益，但也存在著一些固有的缺陷，如副瓣水平高和單模帶寬窄等．近年來，越來越多的學(xué)者針對這些問題展開研究，本團(tuán)隊(duì)也提出了一系列改善高階模貼片天線阻抗和輻射性能的分析與設(shè)計方法，本文將對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀作全面的綜述．

1 高階模貼片天線的副瓣抑制技術(shù)

大多數(shù)高階模貼片天線的輻射方向圖具有較高的副瓣水平，其形成機(jī)理既可以從等效磁流模型的角度來分析，也可以從貼片表面電流分布的角度來理解．以矩形貼片天線為例，由兩個輻射邊產(chǎn)生輻射，可等效為兩個磁流元構(gòu)成的二元陣，當(dāng)它們之間的距離大于1/2真空波長時，輻射副瓣開始出現(xiàn)．通常情況下，高階模貼片天線兩個輻射邊之間的距離遠(yuǎn)大于1/2真空波長，因而副瓣電平較高．除此之外，從電流分布的角度來看，高階模貼片表面的電流出現(xiàn)了反相分量，導(dǎo)致產(chǎn)生副瓣輻射．綜合文獻(xiàn)報道的副瓣抑制技術(shù)，大多是從這兩方面出發(fā)，主要分為以下3類.

1.1 采用高介電常數(shù)基板

高階模貼片天線產(chǎn)生高副瓣的主要原因是天線兩輻射邊之間的間距過大，因此抑制副瓣最直接的方法就是減小天線的電尺寸[8-9]．2016年，JUYAL等[8]提出，通過采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板，在天線尺寸不變的情況下降低天線的諧振頻率，從而減小了工作于TM12模的圓形貼片天線(圖1(a))的電尺寸，可有效抑制天線的副瓣水平．如圖1(b)，隨著所采用介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)由1.00增至9.80，天線的副瓣電平逐漸降低，主瓣逐漸變寬．當(dāng)相對介電常數(shù)取6.15時，副瓣電平降幅超過10 dB，方向系數(shù)大于10 dBi．然而，采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板會使天線近場儲能與耗能的比值Q升高，阻抗帶寬會變窄，效率降低，這不利于天線在寬頻帶環(huán)境下的正常工作．

圖1 工作于TM12模的高增益圓形貼片天線[8]Fig.1 The high-gain circular patch antenna under TM12 mode operation[8]

1.2利用寄生輻射抵消副瓣輻射

JUYAL等[10]以工作于TM13模的圓形貼片天線為例，通過引入寄生單元，提出利用基模和高階模輻射分量相互抵消的辦法抑制副瓣．圖2(a)為高增益雙模圓形貼片天線的結(jié)構(gòu)，下層主貼片工作在TM13模，上層寄生貼片工作于TM11模．由圖2(b)可知，TM13模輻射方向圖有兩個副瓣，且相鄰兩個瓣之間電平符號相反．上層貼片尺寸小，其輻射方向圖沒有副瓣，且主瓣電平極性保持不變．兩天線同時激勵時，兩個貼片的遠(yuǎn)場分量作矢量疊加，其中，下層貼片TM13模的第1副瓣與上層貼片TM11模的主瓣反相抵消，有效抑制了高階模的副瓣輻射，最終實(shí)現(xiàn)了高達(dá)13.79 dBi的高增益性能，遠(yuǎn)高于常規(guī)貼片天線，但該天線的相對帶寬(絕對帶寬除以中心諧振頻率)僅1%左右．需要注意的是，由于兩個模式的主瓣是同相疊加，主瓣寬度會有所增加．從等效磁流模型的角度來看，寄生輻射單元的引入會令相鄰的兩個輻射邊之間的距離變小，改變陣列因子．

圖2 高增益雙模圓形貼片天線[10]Fig.2 The high-gain dual-mode circular patch antenna[10]

1.3 縫隙加載技術(shù)

縫隙加載也是一種簡單而有效的抑制副瓣技術(shù)[11-17]．JUYAL等[11]認(rèn)為，在圓形貼片中心加載縫隙可抑制TM12模圓形貼片天線的E面副瓣，并將加載的縫隙等效為一個磁流，該磁流產(chǎn)生的輻射和圓形貼片原來的輻射在遠(yuǎn)場作線性疊加，使天線E面上原來的副瓣輻射剛好被抵消．該技術(shù)的原理和1.2節(jié)所述寄生輻射抵消原理類似，但不需額外的寄生單元，在單個貼片上便可實(shí)現(xiàn)，因此更加簡單．這種基于等效磁流的分析結(jié)果雖然能很好地解釋和預(yù)測天線E面輻射方向圖的變化，但卻很難預(yù)測H面輻射方向圖的變化情況．

本團(tuán)隊(duì)從貼片的表面電流分布角度入手，提出一種能同時實(shí)現(xiàn)天線E面副瓣抑制和H面波寬靈活可控的加載技術(shù)[12]．圖3為貼片天線表面電流密度分布及其相應(yīng)的E面和H面輻射方向圖．如圖3(a)，矩形貼片工作在TM03模時，其縱向電流分布和3/2波長對稱振子類似，出現(xiàn)了3個半周期，并且中間半周期的電流反向，引起了E面副瓣輻射．若在貼片的中間x軸方向上加載矩形縫隙，中間部分的反向電流被截斷，并緊緊耦合在縫隙周圍，幾乎不參與輻射，這有效抑制了E面的副瓣水平并增強(qiáng)了天線的輻射增益．同時，文獻(xiàn)[12]的分析表明，縫隙分別加載在貼片中間和在貼片兩端加載時，貼片的橫向電流強(qiáng)度分布是完全不一樣的．如圖3(b)，當(dāng)橫向電流中間強(qiáng)兩邊弱時，H面波寬變寬；當(dāng)橫向電流兩邊強(qiáng)中間弱時，H面波寬變窄．因此，可通過調(diào)節(jié)中間和兩端的矩形縫隙的長度去改變貼片橫向的電流強(qiáng)度分布，從而獲得不同波束寬度的H面方向圖．這類天線具有結(jié)構(gòu)簡單和增益高的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是帶寬小于2%，仍然很窄．

圖3 工作于TM03模的矩形貼片天線[12]Fig.3 Rectangular patch antenna under TM03 mode operation[12]

2 高階模貼片天線的雙頻高增益設(shè)計方法

雙頻貼片天線能使兩個或多個通信制式共用一個天線，有利于降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，因此，在現(xiàn)代無線通信中的應(yīng)用越來越廣泛．為實(shí)現(xiàn)更好的信號覆蓋，通常要求雙頻貼片天線在兩個獨(dú)立的工作頻段都具有較高的增益和相似的波束寬度．但是，這樣的設(shè)計難度較大，特別是當(dāng)兩個頻段的頻率比較大時，因?yàn)橥惶炀€相對于兩個頻段的口徑電尺寸是完全不同的，頻段頻率比越大，差異越明顯，增益和波寬的差異也越明顯．以下將從兩方面對基于高階模諧振的雙頻高增益貼片天線展開闡述．

圖4 雙頻貼片天線Fig.4 Dual-band patch antenna

2.1 傳統(tǒng)的雙頻貼片天線

傳統(tǒng)的雙頻貼片天線設(shè)計通常是同時激勵貼片天線的基模和高階模，并且通過開路支節(jié)或矩形縫隙等加載方式，改變高階模的電流分布使其與基模的電流分布相類似，并將兩個模式的諧振頻率調(diào)節(jié)在所需要的頻段處，實(shí)現(xiàn)雙頻的輻射性能．YANG等[18]提出了一種雙頻圓極化方形貼片天線，如圖4(a)，激勵方形貼片的TM01與TM10模和TM03與TM30模，然后在貼片的四周和中間加載矩形縫隙，大幅降低了高階模的諧振頻率，并通過調(diào)節(jié)縫隙實(shí)現(xiàn)所需的頻率比．ZHANG等[19]同樣利用方形貼片天線的TM01/TM10模和TM03/TM30模，通過在貼片天線的邊上中間位置加載開路支節(jié)，調(diào)節(jié)兩個模式的頻率比，從而實(shí)現(xiàn)所需的雙頻性能，如圖4(b)．但是，這些天線都是通過小型化的方式抑制高階模的副瓣，高階模電流分布與基模的相似，所以均不能在兩個工作頻段內(nèi)同時實(shí)現(xiàn)高增益．

圖5 基于縫隙和短路銷釘加載的雙頻高增益貼片天線[20]Fig.5 Dual-band high-gain patch antenna with slot and shorting pin loadings[20]

2.2 基于高階模諧振的雙頻高增益貼片天線

本團(tuán)隊(duì)利用短路加載和縫隙加載，設(shè)計出具有相似波束寬度的雙頻高增益圓形和矩形貼片天線[20-21]．文獻(xiàn)[20]采用差分饋電的方式同時激勵起圓形貼片的TM11模和TM12模，結(jié)構(gòu)如圖5(a)．首先，通過在圓形貼片中間加載矩形縫隙，在降低TM12模副瓣的同時提高了其輻射增益；由于矩形縫隙的長度比TM11模的工作波長小得多，故該矩形縫隙對TM11模的諧振頻率和輻射方向圖幾乎沒有影響．接著，在TM12模電場較弱而TM11模電場較強(qiáng)的位置加載短路銷釘，使其對TM11模的電場擾動較強(qiáng)而對TM11模的電場擾動較弱，因此可以在幾乎不影響TM12模的情況下提高TM11模的諧振頻率，增大其口徑電尺寸，從而提高TM11模的輻射增益．最后，通過改變縫隙的長度和短路銷釘?shù)膫€數(shù)及加載位置，可以調(diào)節(jié)兩模式的諧振頻率．如圖5(b)和圖5(c)，該天線可同時在3.6 GHz和5.9 GHz的無線局域網(wǎng)(wireless local area network, WLAN)頻段實(shí)現(xiàn)大于10 dBi的增益，且具有幾乎一樣的波束寬度．

3 高階模貼片天線的寬帶高增益設(shè)計方法

上述基于高階模諧振的高增益貼片天線，雖然解決了副瓣電平過高的問題，但帶寬仍然很窄，典型的頻帶帶寬從百分之零點(diǎn)幾到百分之一點(diǎn)幾，無法滿足大部分無線寬帶通信系統(tǒng)對帶寬的要求．最近，有學(xué)者探討了高階模高增益貼片天線的寬帶設(shè)計方法，根據(jù)原理的不同，主要可分為兩類．

3.1 基于高階模諧振的雙模和多模寬帶貼片天線

多諧振模并用是寬帶貼片天線常用的設(shè)計方法，一般通過激勵起貼片天線的基模和高階模來實(shí)現(xiàn)[22-27]，但這些天線通常無法在寬帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)高增益．有研究表明，利用貼片天線的兩個或多個高階模(而非基模)，可實(shí)現(xiàn)寬帶高增益[28-30]．SQUADRITO等[28]提出一種多模寬帶高增益圓形貼片天線，結(jié)構(gòu)如圖6(a)(i)．首先，在TM14模的第2個電流零點(diǎn)位置加載環(huán)形縫隙，使圓形小貼片的TM12模與諧振在整個圓形貼片的TM14模的輻射場疊加，從而抑制了副瓣并增強(qiáng)了天線的增益．然后，在小貼片加載一圈短路銷釘，并分別激勵起小貼片的TM11模和大貼片的TM13模，利用其遠(yuǎn)場疊加來抑制副瓣和提高增益．最后，通過調(diào)節(jié)短路銷釘?shù)陌霃?、個數(shù)和加載位置，提高了TM11模和TM13模的諧振頻率，使其靠近TM12模和TM14模，并最終在10.79～11.51 GHz的寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)15 dBi的高增益輻射性能．為保證所加載的短路銷釘不影響TM12模和TM14模，短路銷釘須加載在這兩個模式電場較弱的位置．除此之外，LUO 等[29]通過差分饋電同時激勵矩形貼片天線的TM03/TM30模和TM05/TM50模，如圖6(b)(i)．該方法同時采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板和利用縫隙加載的方式，抑制兩模式的E面副瓣；再通過在TM03模電場較弱的位置加載短路銷釘，調(diào)節(jié)兩個諧振模式的諧振頻率使其相互靠近，達(dá)到增加帶寬的目的．如圖6(b)(ii)，這些工作拓寬了高階模高增益貼片天線的帶寬，但帶內(nèi)的增益響應(yīng)仍不夠平坦．

圖6 基于多模和雙模諧振的寬帶高增益貼片天線Fig.6 Wideband high-gain patch antennas under multi-mode and dual-mode operation

3.2 基于耦合諧振饋電的寬帶高增益濾波天線

ZHANG等[31]研究發(fā)現(xiàn)，高階模貼片天線的輻射方向圖更易受其鄰近其他模式的干擾而惡化．例如，矩形貼片天線工作于TM03模的諧振頻點(diǎn)附近會出現(xiàn)很多偶模，如TM02模、TM20模、TM21模和TM22模．因?yàn)檫@些偶模的貼片表面電流呈偶對稱分布，產(chǎn)生的方向圖并不是所需要的邊射方向圖，所以高階模寬帶貼片天線的設(shè)計應(yīng)抑制不需要的鄰模，以便得到穩(wěn)定的輻射方向圖．為此，ZHANG等[31]提出一種具有濾波特性的寬帶高增益貼片天線，令縫隙加載的矩形貼片天線工作在TM03模，兩個諧振器對貼片天線進(jìn)行耦合饋電，如圖7(a)．諧振器和貼片兩兩之間存在著耦合，構(gòu)成了CT濾波器結(jié)構(gòu)．由圖7(b)可見，引入諧振器饋電結(jié)構(gòu)后，帶外的其他偶模被很好地抑制了，同時還在帶內(nèi)引入了額外的兩個非輻射諧振模式，有效拓展了天線的帶寬．而由圖7(c)可知，該天線在帶外引入了增益零點(diǎn)，使得其具有更好的選擇特性．與3.1節(jié)所述的雙模和多模寬帶高增益貼片天線[22-30]相比，具有濾波特性的帶寬高增益貼片天線的帶內(nèi)增益更平坦，因?yàn)樵摓V波天線在帶內(nèi)只有單個輻射模(TM03模)工作，所以貼片的表面電流分布和口徑效率能維持穩(wěn)定．與其他工作于基模的濾波天線[32-36]相比，具有濾波特性的帶寬高增益貼片天線的增益更高，達(dá)13.6 dBi，很好地實(shí)現(xiàn)了帶寬、增益和輻射穩(wěn)定性的統(tǒng)一．

圖7 基于諧振器耦合饋電的寬帶高增益濾波天線[31]Fig.7 Wideband high-gain filter antenna fed with resonator[31]

4 高階模貼片天線的未來展望

近年來，高階模貼片天線以剖面低和輻射增益高等優(yōu)勢受到研究人員越來越多的關(guān)注．本文總結(jié)分析了高階模貼片天線的副瓣抑制和寬帶技術(shù)的設(shè)計方法以及工作原理，并指出各方法存在的問題．為了能夠同時覆蓋多種通信制式以降低天線系統(tǒng)的復(fù)雜程度和投入成本，未來高階模貼片天線需要具備更寬的工作頻帶以及更穩(wěn)定的輻射性能．總的來說，高階模貼片天線的設(shè)計當(dāng)前面臨的問題主要包含以下兩方面．

1)增益穩(wěn)定的寬帶設(shè)計．單個高階模貼片天線能夠?qū)崿F(xiàn)的阻抗帶寬相當(dāng)窄，通常只有1%左右，不能滿足寬帶無線通信的需求．基于高階模諧振的多模和雙模寬帶技術(shù)，利用兩個或多個高階模式來獲得寬帶高增益性能，但其所實(shí)現(xiàn)的帶內(nèi)增益和波寬都不夠穩(wěn)定．這是因?yàn)椴煌唠A模式的電流分布和口徑效率差異很大，很難讓它們在同一工作頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)相似的輻射性能．因此，如何選擇多個合適的高階模式，并利用合適的加載技術(shù)重塑其電流分布，在拓寬帶寬的同時，讓輻射方向圖保持穩(wěn)定，將是高階模貼片天線的研究難點(diǎn)．

2)高階模貼片天線的鄰模抑制．隨著階數(shù)的升高，貼片天線的諧振模式越來越多，各個高階模之間的頻率距離也越來越近．由于方向圖不同，并非每個模式都能被利用，當(dāng)一些不需要的模式落入帶內(nèi)時，輻射方向圖的一致性就會被破壞．3.2節(jié)介紹了利用1/2波長諧振器饋電抑制了TM03模附近的其他偶模，實(shí)現(xiàn)了寬帶的性能．然而，當(dāng)高階模式附近存在更復(fù)雜的鄰模時，模式激勵和模式抑制的難度將會大增，對饋電方式的選擇和饋電結(jié)構(gòu)的要求也變得更高，這需要更深入的研究．