张照恒 姚 斌 张建宇 李 琳

云南师范大学物理与电子信息学院

1 天线高增益的研究现状

随着无线电科技的发展，提高天线及微带天线的增益俨然成为天线研究的一个重要课题。国内外基本一致地将工作重心放在天线阵的研究上。2012年，瑞典的林雪平大学与隆德大学以及贝尔实验室合作研发出了128个阵元数目的天线阵。期间，丹麦的奥尔堡大学和美国的莱斯大学也做了类似工作。国内也同样重视天线阵的研究。2014年，“863计划”启动了针对128～256天线的Massive MiMO技术的立项工作。近年来，国内外关于天线阵列和解耦技术的相关论文层出不穷，有不少研究是针对提高单体阵元天线的增益而开展的。相比于天线阵的研究，该研究同样非常重要，因为阵元即是阵列的基础。

国内外关于提高单体的阵元天线增益的研究成果主要有透镜方法、基于高零点线性叠加的圆形微带天线的高增益方法等，均取得了不俗的成果。文章设计的模场塑造方法也是针对单体天线。

2 微带天线的辐射机理与增益分析

以矩形贴片微带天线为例，其工作模式一般为TM10模。在此工作模式下，微带天线的周边电场如图1所示。

微带天线能在空间产生的辐射类型取决于如图1所示的微带天线周边的电磁场，显然，微带天线在z轴正方向的辐射最强，因为其周边的电场既有与微带天线贴片平行的Et分量，又有与微带天线贴片垂直的En分量，仅在z轴方向上可以得到4条周边中的其中两条边上来自于Et分量产生的辐射叠加（其他辐射将在z轴方向上抵消），故相当于辐射增强了一倍。再加之接地导体面的反射，辐射又可再次翻倍，故微带天线的主要辐射方向即是正z轴方向，正z轴方向的增益也是微带天线的最大增益，也就是通常所说的微带天线增益。但事实上，这个增益其实很低。为了分析这个问题，可将图1中的周边电场分解为如图2所示的两个部分。

图1 TM10模下矩形微带天线的周边电场示意

图2 TM10模下矩形微带天线的周边电场分解示意

（1）关于En分量的示意（见图2右），以z轴方向而论，图2中En的整体是无法产生辐射的，因为y＜0内的En和y＞0内的En相反，其产生的辐射必然在z轴方向上抵消。但若不以z轴方向作为考察对象，图2中En所产生的辐射是不容忽视的，譬如，以xoy面来考察，虽然依旧y＜0内的En和y＞0内的En相反，但其到达接受辐射位置的行程是不同的，即相位不同。若相位也正好相反，则可使辐射翻倍。综上所述，微带天线周边的En虽不会在z轴方向上有辐射贡献，但会在其他方向上有不小的辐射。

（2）关于Et的示意（见图2左），同理分析可知，两条平行于y轴边上的Et不会对z轴方向上有辐射贡献，但可以对其他方向产生不小的辐射，而平行于x轴两条边上的Et则如前文翻倍地在z轴方向上有辐射贡献。需要十分注意的是，这个辐射其实并不理想，因为事实上导体的凸起处电磁场往往会大些，也就是说图2中x坐标绝对值越大的地方，电场越强，电磁场也就越强，拐角点处的电磁场最强。然而，越靠近拐角点处，Et的方向就越偏离y轴方向，所以垂直于y方向的Et中的分量在z轴方向上产生的辐射也很小，而微带天线增益（即正z轴的增益）就是这种“不良”辐射导致的。故微带天线的增益较低也便不难理解。

3 微带天线周边模场塑造方法

通过以上分析可知，微带天线的辐射增益较小，问题并不在电磁波的传播途径上，而是在微带天线的辐射根源上。如果可以对“源”进行重塑，那么问题必将得到很好的解决。这才是提高增益的关键。微带天线周边模场的塑造方法就是以该思想为核心而展开研究的。

能对电磁场产生显著影响的物质有且只有两种：导电体、导磁体。考虑到微带天线的贴片和接地板都是导体，笔者选择导电体作为实现该方法的工作物质，因为电场总是垂直于导体的，故而相互垂直的导体面的内交线上电场趋于零，电磁场亦趋于零；又因为微带天线内部的电磁场总是垂直于贴片和接地板的，所以使用导体实现该方法要比使用导磁体方便得多，只需在贴片和接地板之间加上垂直于贴片和接地板的导体，衔接交界线上的电磁场就必趋于零。从形象上来说，每当在导体和接地板之间加上一个垂直于它们的导体，都可以对天线内部的电磁场进行“挤压”。依此作为原理，就可以把原本的电磁场往所需的方向变化，达到塑造微带天线周边模场的目的。当然，这个塑造也并非完全自由，而是需要以模式本身的场分布为基本出发点。

只要能重塑微带天线周边的模场，使之达到以下效果：（1）尽可能地消除垂直的电场分量En（图2右边的电场）；（2）尽可能地消除平行于y轴周边上的平行电场分量Et（图2左的蓝色周边电场）；（3）尽可能地提高平行于x轴周边上Et中的平行于y轴的电场分量（图2左红色周边的电场中平行于y轴的分量），即可达到很好的效果。故而，可以在矩形微带天线贴片的4个拐角处塞入导体，以达到消减拐角和侧边（图2平行于y轴的周边）的电磁场的目的；再在侧边上塞入导体，使得侧边电磁场再次被挤压到中部附近。同时，在贴片中心沿y轴偏离一定距离的地方再次塞入导体，使得电磁场最密集的地方向平行于x轴的两边挤压，便可达到目的。需要说明的是，最后塞入的导体既对电磁场进行挤压，又对平行于x轴周边电场Et中的平行于y轴的电场分量有吸引作用，所以效果甚好。以上是具体针对矩形贴片的TM10模的高增益方法，可以广泛应用。

4 设计高增益的5G圆极化天线

4.1 微带天线的初步模型确定

将正方形定为设计天线的贴片形状，并使用低损耗角的相对介电常数为4.4的材料作为基板介质，高度定为1 mm，根据微带传输线特性阻抗公式可求得特性阻抗为50 Ω的微带线宽度为2 mm，并由HFSS软件进行仿真，可验证50 Ω的微带线宽度确为2 mm，故将端口宽度定为2 mm。考虑到微带天线内部塞入导体后谐振频率会变化，暂将正方形贴片的边长定为30 mm。介质基片的边长则暂定为正方形贴片边长的1.7倍。该天线的初步模型如图3所示。

图3 模场塑造方法下初步确定的5G圆极化微带天线结构

4.2 应用模场塑造方法将导体置入

在该贴片天线的贴片和接地板之间塞入导体（本设计塞入的导体为圆柱导体），使得TM10模下微带天线的周边电磁场变化如图4所示。将塞入导体的位置和大小进行较为精细的调整，以最大限度地提高增益；将塞入的导体进行90°旋转复制，使得另一端口激励的辐射得到同样的高增益。

图4 模场塑造方法内塞导体示意

4.3 调整塞入导体的位置和贴片的尺寸确定最终的天线结构

模型基本确定后，对贴片及塞入导体的位置做进一步调整，使阻抗匹配的同时能尽量提高增益。此时应特别注意，不要破化了天线结构的90°对称，否则会恶化天线的圆极化功能。最终的天线的结构和尺寸如图5所示。

图5 最终的模场塑造方法下的5G圆极化微带天线结构

最终的模场塑造方法下的5G圆极化微带天线结构中，贴片的边长为39 mm，介质基片的边长为94 mm，基片厚度为1.14 mm，端口宽度为2.28 mm，图5中的小圆柱代表塞入的导体圆柱。单端口激励情形下，微带天线的贴片表面电场如图6所示。

图6 最终的模场塑造方法下的5G圆极化微带天线的贴片表面电场

4.4 HFSS结果报告

如图7—10所示，在中心频率4.9 GHz上，输入阻抗约为约50 Ω，S11＜-16.5 dB。总增益和左旋增益均约为12 dB，轴比为1.15 dB＜3 dB。在4.8 GHz和5 GHz时的增益和轴比情况与在中心频率时大体相同。

图7 最终模场塑造方法下5G圆极化微带天线的S11参数

图8 最终模场塑造方法下5G圆极化微带天线在4.9 GHz时的总增益

图9 最终模场塑造方法下 5G圆极化微带天线在4.9 GHz时的左旋增益

图10 最终模场塑造方法下5G圆极化微带天线在4.9 GHz时的轴比

5 结束语

以上设计示例表明，模场塑造方法对提高增益的效果十分显著，且其理论与仿真设计十分吻合。示例中，微带天线增益达到了12 dB，远远大于传统微带天线的增益。