杨晋乾，曹力恒， 周闯，王旭光

(湖北大学计算机与信息工程学院，湖北 武汉 430062)

0 引言

微带天线具有体积小、重量轻、结构灵活、设计和制造简单等优点，已被广泛应用于无线通信、遥感、导航、雷达等系统中.随着现代无线通信技术的进一步发展，对双频天线的需求越来越多.

为了实现微带天线的双频工作，最直接的方法是将2个具有不同谐振频率的辐射贴片置于同一个介质基板上，这种设计虽然结构简单，但将增大天线的尺寸[1]；也可采用重叠辐射贴片或加载寄生贴片构成叠层结构的形式设计双频天线[2-4]，然而使天线的厚度大幅度增加，难以满足现今通信系统中对天线低剖面、小型化的要求；通过设计合适的馈电网络，同时激励微带贴片天线的基模和高次模也可以实现双频工作[5-6]，但这种方式增加了设计的复杂性；此外，还可以通过对辐射贴片开槽或加载的方式[7-9]，使天线的表面电流重新分布，或者利用具有自相似性的分形结构设计辐射贴片[10-11]，进而得到多个工作频带.

但是微带天线也存在带宽窄、增益低、方向性差等问题，将多个微带辐射单元按一定规律排列构成阵列天线可以克服这些缺点[12].由于各辐射单元的位置和馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，使阵列天线可获得更高的增益和更好的辐射方向性，并具有单天线难以实现的其它各种功能，例如波束扫描、波束赋形等.

本文中提出一种1×4四元微带阵列天线，采用偏心侧馈的开槽微带贴片作为辐射单元，设计一分四等分功率分配器作为馈电网络，可在2.3 GHz和2.6 GHz频段产生2个工作频带，在保持天线小型化的同时尽可能提高其工作性能，如提高增益、增强方向性等.本文中对微带辐射贴片的工作原理和设计方法进行分析与探讨，并利用三维电磁仿真软件HFSS(High Frequency Structure Simulator)对所提出的阵列天线的性能进行验证.

1 天线单元设计与优化

1.1 微带天线单元结构微带天线也称为贴片天线，通常由基板上具有一定形状的金属贴片和另一侧的接地平面组成，常用的贴片的形状包括矩形、方形、圆形、三角形和环形等.天线的馈电方式包含孔径耦合、微带线侧面馈电和同轴探针反向馈电等.微带天线阵列的设计首先需要设计合适的单元结构.

图1 微带天线单元结构图

本文中的微带天线单元结构如图1所示，辐射贴片位于单层FR4介质基板的上表面，其介电常数εr=4.4，厚度h=1.6 mm，介质基板的下表面为接地板.

微带贴片上开有一个宽度为W1的倒L形槽，其与贴片上边缘和左边缘的距离分别为d1和d2，沿图中x轴方向与y轴方向的长度分别为S1和S2.贴片上开槽可使贴片表面电流路径变长,相当于在天线的等效电路中引入级联电感,使谐振频率降低,从而减小天线尺寸，同时可利用开槽的长度对贴片的2个谐振频率进行微调.

馈电方式采用微带线偏心馈电以激励2个谐振模式，馈点位于贴片左侧，馈线宽度为W2.微带贴片上紧靠馈线的位置开有一个长度为d3，宽度为W3的矩形细缝，以调节贴片的阻抗，实现更好的阻抗匹配.

矩形贴片的初始尺寸可根据所设计的工作频率2.3 GHz和2.6 GHz，由(1)式和(2)式进行计算[13]

(1)

(2)

其中，W为天线贴片的宽度，L为考虑边缘缩短效应后天线贴片的长度，fr为工作频率(取2个频带的中心)，μ0、ε0分别为自由空间的磁导率与介电常数，εr为介质基板的相对介电常数，c为光速，εreff为介质基板的有效介电常数，ΔL为等效辐射缝隙长度，εreff和ΔL可由(3)式和(4)式计算[13]

(3)

(4)

其中，h为介质基板的厚度.

1.2 参数分析与优化辐射单元的尺寸决定天线的谐振频率，偏心馈电方式可在单一贴片上同时激励出2个谐振模式.同时，开槽也是实现天线双频工作并能保证一定的带宽和增益的主要技术方法.

为了进一步研究该天线单元的工作原理，获得较好的性能，对其主要结构参数进行分析，图2给出各参数变化时对天线单元回波损耗影响的仿真结果.由图2(a)可知，贴片长度L的变化主要影响低频段的谐振频率，L越大，谐振频率越小；贴片的宽度W则主要影响高频段的谐振频率，W越大，谐振频率越小.

图2(b)所示为贴片上所开的倒L形槽x和y2个方向上的长度S1与S2对谐振频率的影响.其中，S1的变化对高频段的谐振频率影响显著，而对低频段几乎没有影响.随着S1的增大，高频段的谐振频率向左偏移.S2增大则使低频段的谐振频率向左偏移，而高频段的谐振频率基本保持不变.但是相比L和W对谐振频率的影响程度，开槽的影响较弱，因此可将这种调节视为微调，用于增加天线设计的自由度.

图2 微带贴片单元参数变化对天线回波损耗影响的仿真结果

综合以上分析可知，本文中所设计的微带天线单元的2个工作频率是独立可控的，可通过调节贴片的长度L和宽度W分别对低频段和高频段的中心频率进行粗调，然后利用所开的倒L形槽的长度S1和S2对其进行微调，从而获得最佳的阻抗匹配特性和反射系数性能.

通过优化贴片尺寸，可以满足所要求的中心频率与带宽的技术指标，并获得较理想的阻抗匹配特性，优化后的天线单元结构参数如表1所示.

表1 微带天线单元经优化后的结构参数 mm

微带天线单元HFSS仿真的三维方向图如图3所示.仿真结果表明，此微带天线单元可以同时工作在2.3 GHz和2.6 GHz 2个频段，最大辐射增益分别为2.9 dB和3.9 dB，且呈现全向辐射特性，适合作为阵元构造微带阵列天线.

图3 HFSS仿真得到的微带天线单元三维方向图

2 馈电网络设计

天线单元结构设计优化完成之后，下一步设计天线的微带线馈电网络，将4个阵元组成一个单馈1×4微带阵列天线.通常天线单元可以采用串联馈电与并联馈电2种形式[13]，其中串联馈电虽然结构简单，但是各个天线单元之间容易相互影响，而且各馈电单元的电流相位会有所差别.因此，本文中采用并联馈电的形式，设计一分四等分功率分配器，同时利用四分之一波长阻抗变换原理实现阻抗匹配.

微带馈电网络的结构如图4(a)所示，由3个一分二等分T型功率分配器构成，为对称结构，可将天线端口的输入功率均匀分配给4个辐射单元，同时保证输入到每个微带天线单元的信号幅度和相位均相等.本设计中，50 Ω、70 Ω和100 Ω微带线的宽度分别为2.98 mm、1.64 mm和0.7 mm.

微带馈电网络的S参数仿真结果如图4(b)所示，在2个通带的中心频率2.3 GHz和2.6 GHz处的回波损耗分别为-21.2 dB和-17.1 dB，插入损耗分别为-7.5 dB和-7.6 dB，4个输出端口的幅度一致性良好.

图4 微带馈电网络设计及其S参数仿真结果

3 四元天线阵列设计与优化

3.1 微带阵列天线的结构利用上述设计的微带馈电网络将等间距分布在同一直线上的4个结构相同的天线单元连接，即构成中心馈电的1 × 4均匀直线天线阵列，其结构如图5所示.为减弱阵元间的互耦效应，避免栅瓣以及保证阵元之间相位相同，阵元的间距一般设计为0.6 ～ 0.8波长.通过HFSS仿真优化阵元间距和四分之一波长阻抗变换段的长度，可改善阵列天线的辐射特性与端口阻抗匹配效果，最终满足设计指标要求.

图5 1×4四元微带阵列天线

3.2 微带阵列天线仿真结果利用电磁仿真软件HFSS对图5所示的阵列天线进行仿真优化，得到天线的回波损耗如图6所示.在阵列天线中心频率2.3 GHz和2.6 GHz处，回波损耗分别为-39 dB和-26 dB，阻抗匹配特性良好.可见，相比天线单元，微带阵列天线的回波损耗有较大改善.2个工作频带的-10 dB阻抗带宽分别为2.27 ～ 2.33 GHz和2.55 ～ 2.63 GHz，对应的相对带宽分别为2.61%和3.09%，能够满足TDD (time division duplex)频段的覆盖要求.

图6 微带天线阵列回波损耗

微带阵列天线的辐射方向图如图7所示.仿真结果表明，该天线在2个工作频带内都有较好的辐射强度和指向性，在2.3 GHz和2.6 GHz时，其E面和H面的最大辐射增益都在0°处取得，最大值分别为6.17 dB和7.48 dB.

图7 1×4微带阵列天线的辐射方向图

图8为1 × 4微带阵列天线2个工作频带的三维辐射方向图.与前述微带天线单元的三维辐射方向图(图3)相对比，可以发现随着阵列单元数目的增加，阵列天线在0°方向上的辐射显著增强，在其他方向上的辐射有所减弱，同时主瓣宽度变窄，在某些特定方向上出现副瓣，这与阵列天线波瓣宽度和阵列长度成反比的理论吻合.除此之外，仿真结果显示微带阵列天线方向图并不完全关于主瓣最大值对称，这是微带馈线的网络结构和偏心馈电的馈电方式产生的附加影响.

图8 1×4微带阵列天线的三维方向图

4 结束语

本文中设计一种小型化1 × 4直线均匀排列型微带阵列天线，能够同时工作在2.3 GHz和2.6 GHz频段.微带天线辐射贴片单元采用偏心馈电的方式，贴片上开有一个倒L形槽和一个矩形槽，由此产生2个谐振频率.微带馈电网络采用一分四等分功率分配器，使四个天线单元的激励振幅和相位均相同，同时保证端口阻抗匹配良好.将天线单元与馈电网络组合后，微带阵列天线在两个工作频带内均有较为理想的辐射增益，在低频段2.3 GHz处的最大增益为6.17 dB，相对带宽为2.61%，在高频段2.6 GHz处的最大增益为7.48 dB，相对带宽为3.09%.本文中提出的微带阵列天线设计简单，结构紧凑，辐射性能较好，可用于多种无线通信应用.