基于鐵氧體的寬帶高增益微帶天線設(shè)計(jì)

陳攀，李高升

湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082

0 引 言

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，設(shè)備對(duì)參數(shù)可調(diào)控、性能可變更的天線要求日益嚴(yán)苛，例如天線頻率的調(diào)控[1-2]、天線極化的調(diào)控[3]。目前，天線的可調(diào)控與可重構(gòu)是主流設(shè)計(jì)方向，大部分電可調(diào)控天線均通過添加偏置電流予以實(shí)現(xiàn)，除了對(duì)天線主體進(jìn)行設(shè)計(jì)之外，還需考慮交直流電路耦合并采用對(duì)天線性能影響較小的直流偏置電路，這也是可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。磁控天線取消了對(duì)天線性能影響較大的直流偏置電路，轉(zhuǎn)而采用對(duì)傳統(tǒng)天線無影響的外磁場(chǎng)進(jìn)行鐵氧體鐵磁參數(shù)調(diào)控，從而成功解決了天線可重構(gòu)的難題，其中微帶天線因體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞[4]，但其也存在帶寬窄、增益低、效率低等缺點(diǎn)。為此，學(xué)界采用了多種天線設(shè)計(jì)技術(shù)來增加微帶天線的帶寬，例如切U 槽[5-6]、割縫隙[7]、使用磁電復(fù)合基板[8]、加載寄生貼片[9]、組陣[10]、利用耦合實(shí)現(xiàn)天線的多模[11-12]等。對(duì)于雙層微帶天線而言，對(duì)天線性能影響最大的是頂層介質(zhì)基板，而底層介質(zhì)基板參數(shù)變化的影響則相對(duì)較小；同時(shí)，當(dāng)采用各向同性材料時(shí)，微帶天線的波束寬度與增益成反比，即不能同時(shí)滿足高增益和寬波束的要求，所以本文將使用各向異性材料鐵氧體作為天線的頂層介質(zhì)基板，并利用鐵氧體材料在外加磁場(chǎng)環(huán)境下呈各向異性的特點(diǎn)[13-14]，對(duì)鐵氧體磁導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)控以優(yōu)化天線性能并縮小天線尺寸。

因此，本文擬設(shè)計(jì)一種加載鐵氧體材料的可調(diào)控寬帶微帶天線，使用層疊式微帶天線來提高增益和效率[15-16]，并采用添加寄生貼片的方法來拓展帶寬。為了應(yīng)對(duì)加工制作與外磁場(chǎng)添加限制等問題，該層疊式天線的底層介質(zhì)基板將使用RT/D 5880 材料，頂層介質(zhì)基板使用鐵氧體材料，基板之間使用臨近耦合饋電，以保留外加磁場(chǎng)對(duì)天線性能的調(diào)控功能。通過在鐵氧體基板上添加4 個(gè)環(huán)繞型橢圓寄生貼片，從而實(shí)現(xiàn)一種適用于無線局域網(wǎng)（wireless local area network，WLAN）的可調(diào)控寬帶天線。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線設(shè)計(jì)原理

天線設(shè)計(jì)有2 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一是鐵氧體材料的加載，二是層疊式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。以均勻平面波在磁化鐵氧體中的傳播為例，當(dāng)外加磁場(chǎng)方向與平面波垂直時(shí)，磁化鐵氧體的磁導(dǎo)率μ為張量，即

其中：

式中：μ11，μ12，μ21，μ22，μ33均為張量μ的分量； μ0為真空磁導(dǎo)率； ωc=γμ0H0，為拉莫角頻率，其中 γ為荷值比（即電子電荷量的絕對(duì)值與電子質(zhì)量的比值），H0為天線外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度； ωm=γμ0Ms，為與飽和磁化強(qiáng)度呈正比的共振角頻率，其中Ms為鐵氧體的飽和磁化強(qiáng)度；j 為虛數(shù)； ω為角頻率。

當(dāng)外加磁場(chǎng)方向反置時(shí)，磁導(dǎo)率張量中 μ12和μ21互 換；當(dāng)無外加磁場(chǎng)時(shí)， ωm=0， 則 μ12=μ21=0，μ11=μ22=μ33，此時(shí)鐵氧體的磁導(dǎo)率為標(biāo)量，呈各向同性。因此，利用鐵氧體在不同磁場(chǎng)環(huán)境下的材料磁導(dǎo)率不同的特點(diǎn)，可將鐵氧體作為微帶天線的介質(zhì)基板，通過添加不同強(qiáng)度的外加磁場(chǎng)，即可改變鐵氧體基板的磁化強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)外加磁場(chǎng)對(duì)天線的調(diào)控。由于部分鐵氧體材料表面光滑，不易實(shí)現(xiàn)高精度鍍銅和挖孔，為了降低天線的制作難度，可將天線整體設(shè)計(jì)為層疊式結(jié)構(gòu)，將鐵氧體基板作為層疊式基板的頂層基板，以保證天線的可調(diào)控特性。對(duì)于具有飽和磁導(dǎo)率的鐵氧體，可以采用與鐵氧體介電常數(shù)相同的物質(zhì)代替，從而近似求解堆疊式天線的尺寸[17-18]。

1.2 天線結(jié)構(gòu)

天線由圓形貼片、橢圓寄生貼片和2 塊基板構(gòu)成，如圖1 所示。頂層基板采用了鐵氧體材料，介電常數(shù)為15.1，飽和磁導(dǎo)率為1 200 Oe。天線外加磁場(chǎng)H0垂直向上，其磁化強(qiáng)度范圍為0～1 250 Oe。圓形貼片的圓心為頂層基板的中心，4 個(gè)橢圓寄生貼片的長(zhǎng)軸與基板邊長(zhǎng)L的夾角分別為45°，135°，225°，315°，且各個(gè)寄生貼片與基板中心的距離相等，以有效拓展天線的帶寬。整個(gè)天線由位于底層基板表面的饋線進(jìn)行耦合饋電，底層基板RT/D 5880 材料的介電常數(shù)為2.2，損耗角正切為0.000 9。圖1 中：h1，h2，h3分別為底層基板的厚度、2 塊基板之間空氣層的厚度、鐵氧體基板的厚度；W為底層基板和鐵氧體基板的寬度；a和b分別為橢圓寄生貼片的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度與短軸長(zhǎng)度；r為圓形貼片的半徑；s為寄生貼片與圓形貼片的距離；Lf和Wf分別為饋電線的長(zhǎng)度和寬度。

圖1 天線模型Fig. 1 Antenna model

2 天線參數(shù)

影響天線諧振頻點(diǎn)的因素主要包括：圓形貼片的尺寸、寄生貼片與圓形貼片的距離s以及外加磁場(chǎng)的磁化強(qiáng)度H0。通過合理控制距離s，即可有效引導(dǎo)天線表面電流的流向和流速，從而拓展天線的工作帶寬。圖2 所示為天線回波損耗S11隨距離s的變化情況，隨著距離s的增加，天線諧振頻點(diǎn)將逐漸向高頻移動(dòng)，但天線帶寬則呈先增后減的趨勢(shì)。

圖2 距離s 對(duì)天線S11 的影響Fig. 2 The influence of the distance s on the S11 of antenna

由圖2 可知，天線的回波損耗響應(yīng)曲線存在2 個(gè)諧振頻點(diǎn)，通過參數(shù)掃描顯示，高頻諧振頻點(diǎn)由圓形貼片產(chǎn)生，而低頻諧振頻點(diǎn)則由寄生貼片產(chǎn)生。圖3 所示為S11隨外加磁場(chǎng)磁化強(qiáng)度H0的變化情況，當(dāng)天線周圍不存在外加磁場(chǎng)時(shí)，諧振頻率為5.15 GHz；當(dāng)周圍存在外加磁場(chǎng)時(shí)，天線的諧振頻點(diǎn)隨著H0的增加而逐漸向高頻移動(dòng)，但絕對(duì)帶寬基本保持不變。

圖3 不同外加磁場(chǎng)環(huán)境下的S11Fig. 3 S11 under different applied magnetic fields

圖4 所示為天線在不同外加磁場(chǎng)環(huán)境下的方向圖，隨著H0的變化，天線方向性未發(fā)生明顯變化，僅最高增益出現(xiàn)了微小改變，這說明外加磁場(chǎng)不會(huì)破壞天線的方向性。圖4 中，E 面和H 面分別為天線的最大輻射方向與電場(chǎng)方向、磁場(chǎng)方向所組成的平面。

圖4 不同外加磁場(chǎng)環(huán)境下的天線方向圖Fig. 4 Patterns of antenna under different applied magnetic fields

圖5 所示為天線貼片在諧振頻點(diǎn)5.15 GHz 時(shí)的表面電流分布圖，可知在不同相位下，寄生貼片上流過了不同電荷的電流，這說明寄生貼片可有效引導(dǎo)天線表面的電流路徑，拓寬天線的帶寬。

圖5 天線表面的電流分布Fig. 5 Current distribution on antenna surface

利用電磁仿真軟件進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化，最終得到如表1 所示的天線模型尺寸參數(shù)。

表1 天線模型參數(shù)Table 1 Dimensions of antenna model

3 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)層疊式天線的設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)，本文開展了實(shí)物加工制作，并使用Keysight 公司的E5063A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試頻段為4 ～8 GHz。通過調(diào)節(jié)永磁鐵與天線之間的距離，即可控制天線外加磁場(chǎng)的磁化強(qiáng)度，測(cè)試儀器為CH-1600 高斯計(jì)。圖6 所示為天線實(shí)物與測(cè)試環(huán)境。

圖6 天線實(shí)物與測(cè)試環(huán)境Fig. 6 Antenna object and test environment

圖7 所示為天線實(shí)物在不同外加磁場(chǎng)環(huán)境下的S11變化曲線，當(dāng)周圍不存在外加磁場(chǎng)時(shí)，天線的諧振頻點(diǎn)為5.15 GHz，且諧振頻點(diǎn)將隨著外加磁場(chǎng)磁化強(qiáng)度的增加而逐漸向高頻移動(dòng)。由此可見，天線實(shí)物測(cè)試與仿真模擬所表現(xiàn)的特性一致。在無磁場(chǎng)環(huán)境下，S11小于-10 dB 的阻抗帶寬為4.75 ～5.73 GHz，絕對(duì)帶寬為980 MHz，在C 波段的相對(duì)帶寬為19%，即實(shí)測(cè)帶寬略大于仿真帶寬，究其原因，可能是天線組裝時(shí)h2的精度不足，從而使天線2 層基板之間的空氣層變高，整體的等效介電常數(shù)減小，最終導(dǎo)致品質(zhì)因數(shù)Q減小，帶寬增大。基板中間空氣層的高度約為0.7 mm，難以避免組裝偏差所導(dǎo)致的上層基板微小傾斜，從而使2 層基板整體呈現(xiàn)為階梯形，這也最終導(dǎo)致了實(shí)測(cè)帶寬略大于仿真帶寬。

圖7 位于不同外加磁場(chǎng)環(huán)境下的S11 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Fig. 7 Measured data of S11 in different external magnetic fields

圖8 所示為天線在E 面與H 面內(nèi)的實(shí)測(cè)方向圖。天線實(shí)測(cè)方向圖具有良好的對(duì)稱性，同一頻率上隨著外加磁場(chǎng)磁化強(qiáng)度的變化，天線方向性沒有明顯的變化。3 個(gè)頻點(diǎn)處的最大增益都均大于9 dBi，且天線在頻點(diǎn)5.15 GHz 的增益達(dá)到了9.15 dBi。因此，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了該天線可以滿足寬帶、高增益、可調(diào)控等設(shè)計(jì)要求，即證實(shí)了本文設(shè)計(jì)方法的可行性。

圖8 實(shí)測(cè)的天線方向圖Fig. 8 Measured patterns of antenna

表2 所示為本文與7 篇近年來國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)在寬帶天線方面的研究成果對(duì)比。設(shè)定天線波長(zhǎng)為λ0（其值為光速與天線中心頻率之比），為了對(duì)比工作在不同頻段的天線尺寸參數(shù)，表2 的天線尺寸（長(zhǎng)×寬×高）將以λ0為基準(zhǔn)進(jìn)行表述。本文設(shè)計(jì)的天線在帶寬、增益、尺寸等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

表2 天線性能對(duì)比結(jié)果Table 2 Comparison results of antenna performance

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于鐵氧體材料的可調(diào)控層疊式微帶天線，與現(xiàn)有文獻(xiàn)中的寬帶微帶天線相比，具有更高的增益、更小的體積和更優(yōu)越的性能。不僅利用鐵氧體介電常數(shù)高的特性減小了天線尺寸（實(shí)際尺寸為0.050 8 m×0.050 8 m×0.003 275 m），還利用鐵氧體磁導(dǎo)率在磁場(chǎng)環(huán)境下各向異性的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了天線的可調(diào)控，可為磁可調(diào)控天線的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。需注意的是，由于磁控天線受制于外置磁鐵，因此需預(yù)留一定空間來放置磁鐵，這也是磁控天線的局限性所在。