低副瓣三次模壓縮偶極子天線的設計

安文星，趙文莉，羅宇

（天津大學 微電子學院，天津 300072）

偶極子天線是19 世紀80 年代由Hertz 提出，也是應用最為廣泛的天線單元.偶極子天線以及由偶極子天線組成的八木-宇田天線[1-3]、對數(shù)周期天線[4-6]等自二戰(zhàn)起就廣泛應用于各種無線通信系統(tǒng)中.

偶極子可以工作在不同的諧振模式.在自由空間中，當偶極子的長度為半波長的整數(shù)倍時，偶極子諧振.而當偶極子周圍加載介質時，偶極子的諧振長度會被壓縮，將這個壓縮系數(shù)定義為K.如圖1 所示，橫坐標代表偶極子的壓縮系數(shù)K，縱坐標代表偶極子的諧振模式.根據(jù)偶極子天線原理，對于非壓縮（K≈1）高次諧振模式偶極子（圖1 中的豎直條帶部分），偶極子的副瓣遠大于主瓣，這就導致偶極子主瓣增益較低.文獻[7]研究了加載介質對于基模諧振偶極子的影響，在加載高介電常數(shù)的介質后，偶極子長度被壓縮（圖1 的水平條帶部分），波瓣寬度變大，增益降低.因此，為了避免低增益，以往文獻中的偶極子天線幾乎都是基模諧振且壓縮系數(shù)接近1，這種偶極子天線增益理論上不超過2.15 dBi.

圖1 偶極子天線研究范圍示意圖Fig.1 Schematic diagram of dipole antenna research scope

可以看到，在圖1 中還有大片淺色的未研究領域，針對這一現(xiàn)狀，模式壓縮偶極子的概念被提了出來[8].此概念的提出將偶極子這一最基礎、應用最廣泛的天線理論研究范圍從非壓縮高次模式偶極子與壓縮基模偶極子這兩條“線”拓展到模式壓縮偶極子這個“面”上.由于模式壓縮偶極子是近年來提出的概念，因此這方面的研究相對有限.

1 壓縮偶極子天線的分析

文獻[8]給出了三次諧振模式下的傳統(tǒng)偶極子與壓縮偶極子的示意圖，如圖2 所示，可以看到偶極子天線上的電流呈正弦分布，隨著壓縮系數(shù)變大，壓縮偶極子的電長度變?yōu)樵瓉淼?/2，明顯變短.

圖2 三次諧振模式下的傳統(tǒng)偶極子與壓縮偶極子示意圖Fig.2 Schematic diagram of traditional dipole antenna and compressed dipole antenna in the third resonance mode

根據(jù)文獻[8]所述.

式中：Im為電流幅值；d 為偶極子；Ld為偶極子長度；Eθ是輻射遠場電流；β0=2π/λ0是自由空間中的相位常數(shù)；βd是偶極子的相位常數(shù).

通過式（1）可以計算出壓縮偶極子天線在不同諧振模式和壓縮系數(shù)下的增益.i=Ldβd/π 是偶極子的壓縮模式；K=βd/β0是偶極子的壓縮系數(shù).隨著K值增加，增益到達峰值，針對這一特性，目前模式壓縮偶極子天線的研究都集中在高增益上.

文獻[8]通過對高次模式壓縮偶極子加載高介電常數(shù)的微帶基片，實現(xiàn)增益為4.6 dBi 的偶極子天線單元設計，比傳統(tǒng)偶極子提高約2.45 dBi.在此基礎上，文獻[9]在高次模式偶極子上加載偽表面等離子體激元，將高次模式偶極子的壓縮系數(shù)提高了11%左右，實現(xiàn)了3.7 dBi 的偶極子單元設計.可是文獻[8]中副瓣高達-3 dB，文獻[9]中副瓣幾乎和主瓣一樣大，高副瓣嚴重抑制了模式壓縮偶極子的應用范圍，縮短了天線的通信距離.文獻[10]雖然針對目前存在的高副瓣問題，研究了模式壓縮天線壓縮系數(shù)與副瓣之間的關系，提出通過增大壓縮系數(shù)實現(xiàn)低副瓣的模式壓縮偶極子天線設計，但是未提出具體的低副瓣模式壓縮偶極子天線設計.

2 低副瓣三次模壓縮偶極子天線的設計

隨著未來大數(shù)據(jù)傳輸、萬物互聯(lián)、低時延等各種數(shù)據(jù)業(yè)務的日益普及，站點數(shù)量在不斷增加，經(jīng)常需要在建筑物上安裝數(shù)量眾多的微波天線，天線朝向不同，導致傳播路徑上各天線間產(chǎn)生嚴重干擾.為了減少干擾，對微波天線的性能指標提出更高的要求，尤其需要天線具備更低副瓣的輻射方向圖性能，以增加天線的傳輸距離和傳輸速率.

為解決模式壓縮偶極子目前存在的高副瓣問題，設計了一款低副瓣三次模壓縮偶極子天線，實現(xiàn)了-15.35 dB 的低副瓣和5.11 dBi 的增益，與文獻[8]的副瓣相比下降了約12 dB，如表1 所示，在降低副瓣的同時提高了增益，拓寬了相對帶寬.

表1 文獻[8]與本設計的參數(shù)對比列表Tab.1 The parameter comparison list of reference 9 and this design

圖3 所示為低副瓣三次模壓縮偶極子天線的結構圖，選擇相對介電常數(shù)為11.2、板材厚度為1.27 mm 的Rogers RO3010 敷銅板作為介質板，采用高介電常數(shù)的介質板實現(xiàn)了偶極子天線的三次模諧振.天線尺寸為72 mm×90 mm，表2 所示為低副瓣三次模壓縮偶極子天線的具體結構參數(shù).

表2 壓縮偶極子天線的結構參數(shù)列表Tab.2 Structure parameter list of compressed dipole antenna

所提出的壓縮偶極子天線采用階梯型微帶線進行饋電，同時加載了不規(guī)則地板.不規(guī)則地板的設計不僅可以拓寬帶寬，還可以增強目標頻段的阻抗匹配能力.在偶極子上加載兩對彎折電感，其中較小的彎折電感可以增強阻抗匹配，較大的彎折電感使壓縮偶極子天線獲得較大的壓縮系數(shù)，實現(xiàn)低副瓣模式壓縮偶極子天線設計.階梯型微帶線和偶極子的右臂位于介質板的上層，如圖3（a）所示；不規(guī)則地板和偶極子的左臂位于介電常數(shù)的下層，如圖3（b）所示；圖3（c）是偶極子天線的左臂、右臂與介質板的相對位置.

圖3 壓縮偶極子天線結構圖Fig.3 Structure of compressed dipole antenna

根據(jù)文獻[11]所述.

式中：c 為自由空間中的光速；fi為諧振模次數(shù)的諧振頻點.

通過式（2）可以計算出壓縮系數(shù)K≈2.04，比文獻[8]的壓縮系數(shù)值提高了10.27%，選取此壓縮系數(shù)不僅保持了偶極子天線較高的增益性能，還使天線獲得-15.35 dB 的低副瓣.

使用三維電磁仿真軟件HFSS（High Frequency Structure Simulator）對上述天線進行仿真設計，得到3 GHz 處的電流分布，如圖4 所示.沿偶極子方向的電流呈正弦分布，且存在反向電流，表明偶極子在三次模處發(fā)生諧振.

當天線在基模諧振時，沿偶極子電流方向一致，輻射方向圖副瓣較低.當K>1 時，偶極子長度變短，且在較高的諧振模式下，偶極子上出現(xiàn)反向電流，導致輻射方向圖副瓣電平較高，出現(xiàn)高副瓣.通過在模式壓縮偶極子上加載彎折電感，獲得2.04 的壓縮系數(shù)，壓縮了反向電流的有效長度，如圖4 所示，中間反向電流的長度明顯小于半波長，因此顯著減小了反向電流的輻射口面，使得天線的輻射方向圖獲得低副瓣.

圖4 3 GHz 處的電流分布圖Fig.4 Current distribution at 3 GHz

通過計算可以得出，自由空間中3 GHz 對應的半波長為50 mm.圖4 的仿真結果顯示，兩側偶極子天線單元中心距離為48 mm，接近半波長50 mm.中間加載有彎折線的偶極子天線單元，由于彎折線的加載減小了反向電流的有效長度和輻射口面，同時，彎折線表面存在向上和向下的電流，使得中間部分偶極子單元輻射的能量相互抵消，降低了對輻射方向圖的影響.傳統(tǒng)偶極子天線單元的增益是2.15 dBi，采用1×2 的天線陣列設計，單元中心間距為半波長，可以提高3 dBi 的增益，達到5.15 dBi.對于低副瓣三次模壓縮偶極子天線，其具有同向電流的振子間距也接近半波長，故低副瓣三次模壓縮偶極子天線實現(xiàn)了與傳統(tǒng)1×2 陣列天線一致的增益值.仿真和測試結果表明，本設計實現(xiàn)了5.11 dBi 的增益，驗證了上述分析.

3 低副瓣三次模壓縮偶極子天線的性能驗證

為驗證仿真模型的有效性，采用PCB 加工技術對圖3 的設計進行加工制作，得到如圖5 所示的天線實物圖.為驗證仿真結果的準確性，用安捷倫Agilent 矢量網(wǎng)絡分析儀測出S 參數(shù)，用暗室測量天線輻射方向圖.

圖5 壓縮偶極子天線加工實物圖Fig.5 Physical picture of compressed dipole antenna

使用MATLAB 軟件繪制了低副瓣三次模式壓縮偶極子天線的仿真和測試結果圖如圖6 所示.從圖6 可以看到，低副瓣三次模式壓縮偶極子天線在3 GHz 處產(chǎn)生諧振，實現(xiàn)了3.07%的相對工作帶寬，覆蓋了2.948～3.04 GHz 的目標頻段，天線的測試與仿真曲線比較吻合.

圖6 S11仿真測試對比圖Fig.6 Simulation and test comparison diagram of S11

圖7 為3 GHz 處輻射方向圖的仿真和測試結果圖，可以看到仿真和測試的主極化結果基本吻合，副瓣僅相差0.4 dB.天線交叉極化的仿真和測試結果存在一定差異，測試結果的交叉極化水平均在14 dB以下，仿真結果的交叉極化水平均在17 dB 以下.天線3 GHz 處增益的仿真和測試結果較為吻合，兩者僅相差0.11 dBi.分析仿真和測試交叉極化數(shù)值存在差異的主要原因有：天線加工制作精度不高、拼裝誤差、被測天線安裝位置偏差等.

圖7 3 GHz 處輻射方向圖的仿真測試對比圖Fig.7 Simulation and test comparison of radiation pattern at 3 GHz

4 結論

提出了一種低副瓣三次模壓縮偶極子天線的設計，通過在壓縮偶極子上加載彎折電感的方式，獲得較大壓縮系數(shù)，實現(xiàn)了-15.35 dB 的低副瓣和5.11 dBi 的增益性能，所加工實物的仿真和測試結果較為吻合.此設計不僅解決了目前模式壓縮偶極子天線存在的高副瓣問題，還保持了天線的增益性能，降低了互擾，增大了天線的傳輸距離和傳輸速率.