一種橢圓形寬帶差分天線的設(shè)計?

翟龍軍 高 山 但波 宋偉健

（海軍航空大學(xué) 煙臺 264001）

1 引言

隨著信息系統(tǒng)的集成化和小型化發(fā)展，信息系統(tǒng)的射頻前端電路、天線和信號處理器件等低頻電路趨近于一體化設(shè)計。在射頻前端電路與低頻電路的一體化設(shè)計中，為減少串擾，射頻前端電路通常采用差分電路技術(shù)。通常的天線大部分被設(shè)計成單端口工作，不能直接與射頻前端電路的差分端口相連接。盡管可以通過引入巴倫實現(xiàn)單端口到差分端口的轉(zhuǎn)換，但是巴倫的引入在增加傳輸損耗，降低系統(tǒng)效率的同時，也降低了系統(tǒng)集成度［1］。

差分天線能夠較好地解決射頻前端電路差分端口與天線的互連問題。差分天線是指采用兩個端口饋電，兩個端口的饋電電流為幅度相等，相位相反的差分信號的天線。對于差分微帶天線，由于可以直接與射頻前端電路相連，避免了巴倫的使用，減少了信號在系統(tǒng)前端的損耗，使得系統(tǒng)有更高的集成度。同時，由于差分信號的引入，可以較好地抑制共模信號、提高隔離度，降低天線的交叉極化，有利于提高系統(tǒng)的性能［2～4］。

在差分天線的設(shè)計的過程中，由于差分饋電端口的引入，使得天線的帶寬受到一定程度的限制，隨著現(xiàn)代信息系統(tǒng)的瞬時工作帶寬不斷增加，寬帶差分天線的設(shè)計顯得尤為重要。論文給出了一種采用橢圓形輻射貼片和橢圓形諧振腔結(jié)構(gòu)的寬帶差分天線，通過橢圓形輻射貼片與地平面橢圓形諧振腔之間的縫隙實現(xiàn)寬帶信號的輻射與接收。仿真結(jié)果表明，該天線在差分饋電時，具有較寬的工作帶寬和較好的波束性能［5～7］。

2 差分天線主要特性參數(shù)

差分天線具有P+，P-兩個差分饋電端口，因此可以將天線等效為二端口微波網(wǎng)絡(luò)，如圖1 所示。兩個端口在等幅反相的奇模信號激勵下，能激勵起天線的輻射模式，在等幅同相的偶模信號激勵下，無法激勵起天線的輻射模式［8］。

2.1 差分輸入阻抗

考慮等幅反相的奇模信號輸入時，兩個端口的差分電壓Ud為

其中，U1、U2為兩個端口的饋電電壓；I1、I2為兩個端口的饋電電流；Z11、Z22分別為端口1和端口2的自阻抗；Z12為端口1 到端口2 的互阻抗；Z21為端口2到端口1的互阻抗，且有

差分天線的輸入阻抗Zd為

當差分天線兩端口對稱、可逆時有

此時，差分天線的輸入阻抗Zd為

2.2 奇模反射系數(shù)

考慮饋電網(wǎng)絡(luò)與天線饋電端口之間匹配情況時，由于天線的輻射模式主要由奇模信號激勵產(chǎn)生，需要考慮奇模反射系數(shù)。根據(jù)圖1（b）所示，兩個端口的歸一化入射波和反射波電壓分別為u1i,u2i,u1r,u2r，且有

奇模反射系數(shù)為

對于奇模信號，兩端口歸一化入射波滿足：

從而有

當差分天線兩端口對稱、可逆時有

此時，差分天線的奇模反射系數(shù)為

對應(yīng)差分天線的奇模駐波比定義為

3 橢圓形差分天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

在平面結(jié)構(gòu)天線設(shè)計中利用橢圓形輻射貼片邊緣與橢圓形地平面邊緣的漸變形狀可以實現(xiàn)天線的寬帶輻射［9～12］。

橢圓形寬帶差分天線在FR4 基板上采用多層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，由地平面、介質(zhì)層1、輻射貼片層、介質(zhì)層2組成。

地平面材料為金屬銅箔，厚度為35μm；介質(zhì)層1 材料為FR4 玻璃纖維介質(zhì)，厚度為0.1163mm；輻射貼片層材料為金屬銅箔，厚度為35μm；介質(zhì)層2材料為FR4玻璃纖維介質(zhì)，厚度為0.9605mm。

地平面外形為矩形，內(nèi)部相對于中線開有橢圓型諧振腔。輻射貼片A為橢圓形輻射貼片，電磁波能量主要從輻射貼片與地平面橢圓形諧振腔之間的縫隙輻射。

輻射貼片A 開有橢圓型阻抗匹配調(diào)諧腔A 和阻抗匹配枝節(jié)A，用于在工作頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)寬帶信號的阻抗匹配。輻射貼片B 與輻射貼片A 形狀相同，相對于地平面中線對稱。

饋電差分微帶線用于實現(xiàn)超寬帶雷達芯片與天線之間的饋電連接。差分微帶線線寬為0.1792mm，線間距為0.4mm。

為實現(xiàn)波束單向輻射，可以采用反射板將一側(cè)的電磁輻射能量進行反射，反射板為材料為金屬銅，厚度為1mm。反射板與介質(zhì)層2 之間為空氣介質(zhì)，反射板與介質(zhì)層2距離9mm。

各部件詳細尺寸如圖2所示。

圖2 橢圓形差分天線疊層結(jié)構(gòu)

圖3 橢圓形差分天線底面透視圖

圖4 橢圓形差分天線尺寸示意圖

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 無反射板時天線仿真結(jié)果

無反射板時，天線奇模反射系數(shù)如圖5 所示，奇模駐波比如圖6 所示。由圖5、圖6 可見，天線在5.2GHz～12GHz 范圍內(nèi)，滿足反射系數(shù)小于-10，駐波比小于2。

圖5 無反射板天線的奇模反射系數(shù)

圖6 無反射板天線的奇模駐波比

無反射板時，天線2D 方向圖如圖7 所示，天線3D 方向圖如圖8 所示。由圖7、圖8 可見，在5.2GHz～12GHz 頻率范圍內(nèi)，天線方向圖波束無畸變，最大輻射方向垂直于天線所在平面兩側(cè)法線方向。工作頻率為9GHz 時，天線增益為5.26dB；工作頻率為5.2GHz 時，天線增益為2.38dB；工作頻率為12GHz時，天線增益為3.16dB。

圖7 無反射板天線2D增益方向圖（?=90°）

圖8 無反射板時不同頻率的天線3D增益方向圖

4.2 有反射板時天線仿真結(jié)果

有反射板時，天線奇模反射系數(shù)如圖9 所示，奇模駐波比如圖10 所示。由圖9、圖10 可見，天線在7.9GHz～12GHz 范圍內(nèi)，滿足反射系數(shù)小于-10，駐波比小于2。由于反射板的引入，天線工作帶寬相對于無反射板的情況變窄，反射板主要影響低頻段工作特性。

圖9 有反射板天線的奇模反射系數(shù)

圖10 有反射板天線的奇模駐波比

有反射板時，天線2D 方向圖如圖11 所示，天線3D 方向圖如圖12 所示。由圖11、圖12 可見，在7.9GHz～12GHz 頻率范圍內(nèi)，天線方向圖波束無畸變，最大輻射方向垂直于天線所在平面，無反射板一側(cè)法線方向。工作頻率為9GHz 時，天線增益為8.22dB；工作頻率為7.9GHz 時，天線增益為6.87dB；工作頻率為12GHz 時，天線增益為5.85dB。在同一頻率點上，天線增益與無反射板情況相比，增加約3dB。

圖11 有反射板天線2D增益方向圖（?=90°）

圖12 有反射板時不同頻率的天線3D增益方向圖

5 結(jié)語

利用橢圓形輻射貼片邊緣與橢圓形地平面邊緣的漸變形狀可以實現(xiàn)天線的寬帶輻射，利用輻射單元的對稱設(shè)計和差分微帶線進行饋電，可以實現(xiàn)差分信號的饋電及輻射和接收，便于與射頻集成電路差分輸出端口的連接。采用反射板結(jié)構(gòu)，以犧牲天線工作帶寬為代價，可以實現(xiàn)波束的單側(cè)輻射，提高天線增益。天線采用平面結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于與射頻集成電路芯片進行集成設(shè)計，也可以作為寬帶天線陣陣元使用。