一种新型的高增益低剖面天线﹡

杨奋华， 汤 炜

（华侨大学 信息科学与工程学院，福建 厦门 361021）

0 引言

为了支持各种新兴的服务和设备，无线通信正大势发展，而用户对通信质量的要求越来越高使得许多学者都在关注如何提高天线性能。目前，天线正往小型化，多频带，多功能等方向发展[1-4]。传统天线以电导体平面作为反射面，根据镜像原理，水平天线在理想电导体(PEC，Perfect Electric Conductor)面上会产生与原来电流方向相反的镜像电流，反射场产生1800的相位差。这时候要保证水平辐射天线与反射面之间的距离不小于 λ/4（λ是工作频率的自由空间波长），以减小入射波与反射波之间的干扰[5]。故而采用PEC反射板不利于天线的小型化。

人工磁导体(AMC，Artificial Magnetic Conductor)具有理想磁导体的零相位反射特性，可用作反射面以降低天线的高度[6],且采用AMC反射面时，入射场与反射场同相叠加使得天线增益将提高3 dB。此外，AMC具有高阻抗表面特性能提高阵列天线的前后比。该文将目标集中在长期演进(LTE，Long Term Evolution) 通信中的2 500～2 690 MHz频段，设计了一款宽频带的高增益低剖面天线。

1 单元设计与分析

常见的AMC模型可分为两类，一类为过孔式结构，另一类为无过孔结构。过孔式结构与无过孔结构都具有零相位反射特性，且无过孔结构少了短路探针，结构简单，该文主要利用其零相位反射特性因而采用无过孔结构。图 1是本文提出的梅花形AMC单元。介质板的一边是梅花形状的贴片，另一边接地。梅花贴片是由四个大小相等，相互对称的圆形贴片融合而成。结构上层的梅花形金属贴片表现为容性，而下层的接地介质板表现为感性，整个结构相当于频率选择表面（FSS，Frequency Selective Surface）加上接地板[7]。

图1 AMC单元

2 结构仿真

单元结构中介质板的型号是罗杰斯 RT/Duroid 6010，其相对介电常数为10.2，厚度为3 mm。在设计天线的过程中，反射相位是一个需要特别考虑的参数，因为反射相位特性直接影响到合成天线的性能。AMC单元的带宽是反射场的相位在±900之间的频段。经有限元法计算，图 2给出了梅花单元的反射相位曲线。由图可知，该单元的中心频率为4.05 GHz，900对应的频率点为3.61 GHz，-900对应的频率为4.51 GHz，相对带宽达22.2%。

图2 梅花形状AMC的反射相位曲线

3 天线设计与硬件实现

此前提及的 AMC单元都是基于无限大周期结构的理论模型，但在实际中，不可能采用无限大的周期结构作为反射板。该文以 5×7梅花阵列代替无限大周期结构，并在此基础上设计了两款低剖面天线。一款是采用偶极子天线作为辐射天线来验证可行性，而另一款是采用蝶形印刷天线来拓展带宽。

3.1 偶极子天线设计

图 3所示的是采用偶极子天线作为辐射天线的合成天线。介质板的厚度h1=3 mm，水平天线与AMC反射面的间距h2=5 mm，图1中的参数r=2.3 mm，单元尺寸a =10.2 mm，偶极子单臂长度l=17.4 mm。天线总体高度为9 mm。

图3 合成天线

仿真结果如图4、图5所示。由图4得合成天线的S11参数在-10 dB以下的频率范围是3.21～3.52 GHz，相对带宽达到8.68%。图5给出了增益模型的E面与H面，由图可知中心频率的增益达到10.67 dBi。E面与H面的半功率波束宽度分别为66°与37°。从上述结果得出，合成天线由于三单元的八木天线。

图4 合成天线的S11曲线

图5 偶极子天线的E面和H面增益方向图

3.2 蝶形天线设计

3.1 节中设计的偶极子天线由于窄带宽而不能直接应用于无线通信系统中。在宽带天线中，蝶形天线[8]由于具有结构简单、紧凑，剖面低等优点，常被用作辐射天线。图 6所示的是一个蝶形印刷天线位于梅花形反射面上。辐射天线是在介质板的两边分别蚀刻方向相反的蝶形单臂。介质板采用的是罗杰斯 TMM4(tm),其相对介电常数为 4.5，厚度为 0.5 mm。两个蝶形臂分别通过50 Ω的传输线馈电。各个几何参数设置如下：Dx=94.15 mm，Dy=56.625 mm。蝶形臂的长度d=17.8 mm，l1=11 mm，l2=4 mm.

为了获得更低工作频率，让天线工作于LTE频段中，AMC的单元尺寸必须增大。图1中的参数修改为r=3.28 mm，a=13.45 mm。为了使天线的性能最佳，将h2设置为变量。图7显示的是h2分别为4.5 mm、6 mm、7.5 mm、9 mm时的S11参数。

图6 蝶形天线

图7 悬置于AMC表面上的蝶形天线的S11曲线

由图7得出结论，当高度h2=6 mm时，S11在-10 dB以下的频率范围最宽，从2.47～2.77 GHz,覆盖了LTE从 2.5～2.69 GHz的范围，并且相对带宽达到了11.63%。图8显示了中心频率2.58 GHz增益模型的E面与H面。其峰值增益为9.67 dBi，前后比大于25 dB，结果显示优于传统天线。同时，天线总体高度只有9.5 mm，相当于2.58 GHz自由空间波长的1/12。

图8 蝶形天线的E面和H面增益方向图

4 结语

文中提出了一种新型的用于LTE通信系统中的高增益低剖面天线。通过数值仿真显示了梅花形AMC的宽带性能。同时，采用蝶形印刷天线作为辐射天线可获得更宽的带宽。通过优化得到合成天线的总体高度为9.5 mm，相当于工作频率自由空间波长的1/12。而且，天线的增益达到9.67 dBi，高于三单元八木天线。

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