小型化微带双频阵列天线

王伊，杨伯朝

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710071）

0 引言

随着通信系统的发展，对各种应用于通信终端天线的需求日益增高，而微带天线由于其优异的结构特性和低成本特性，已经成为通信天线家族中重要的一员[1]-[4]。另外，在许多设备中都对天线小型化有很高的要求。本文通过研究微带贴片天线半模技术实现天线小型化，同时将具有不同谐振频率的天线相结合，形成双频特性的小型化微带阵列[5]-[7]。

1 微带贴片半模技术

对于常规的微带贴片天线来说，主要通过上层贴片和地板之间形成的缝隙向外辐射电磁波，可以等效为一种缝隙天线。微带贴片天线介质板厚度h远远小于天线波长，辐射缝隙主要集中在两宽边处。当通过微带线馈电时，辐射贴片表面电流在两个开路端之间形成驻波。

微带天线在纵向面由于介质板厚度远远小于波长，但是在横向方向，贴片尺寸可以与波长相比拟。因此，微带天线常常需要横向尺寸的小型化。微带天线常见的小型化方法包括采用高介电常数的介质基板、采用加载技术以及采用曲流技术等。本文主要研究通过半模技术实现微带天线单元的小型化。

通过加载短路壁是实现矩形贴片半模辐射的一种方式，即在微带贴片表面电流的波节点加载短路壁，将辐射贴片和地板相接，实现微带贴片天线的小型化。图1为常规微带贴片天线加载短路壁后天线表面电场分布示意图。

图1 半模矩形微带贴片场分布示意图

从图1中可以看出，当在贴片中心加载金属短路壁后，并没有改变贴片中心波节点特性，贴片上的电场分布依然与常规贴片相同。

图2为两种形式天线S参数仿真结果。

图2 （a）常规矩形微带贴片天线S参数

图2 （b）短路加载贴片S参数仿真结果

从图2中可以看出，加载短路壁后，天线的谐振频率有所偏移，但是经过微调频率偏移问题可以有效得到解决。图3为两种天线方向图仿真结果。

从图3中可以看出，加载短路壁后，天线的增益降低了 1.5dB，这主要是由于天线有效辐射口径面积减小造成。另外，天线交叉极化有所恶化，这主要是由于短路壁引入了高次模式。

图3 （a）常规贴片方向图仿真结果

图3 （b）加载贴片方向图仿真结果

2 双频小型化单元设计

虽然通过加载短路壁对原有天线的性能造成了影响，但是却将微带贴片单元的尺寸减小很多，在一些对尺寸有限制的地方仍然具有应用前景。根据这种思路，本文将具有两种谐振频率的单元组合在一起，两个贴片共用同一个短路壁，并且通过调整贴片尺寸就可以实现小型化双频单元。图4为天线仿真模型。

图4 小型化双频贴片天线

图5为小型化双频微带贴片天线S参数仿真结果。

图5 小型化双频贴片天线S参数仿真结果

从图5中可以看出，两个输入端分别在2.57GHz和3.43GHz形成了谐振。两天线的极化方式相同，在整个带宽内，两端口的隔离度均在25dB以上。

3 小型化双频阵列

为了将小型化双频单元应用于阵列天线中，本文设计了相应的馈电网络，实现了一维小型化双频阵列。天线仿真模型如图6所示。

图6 小型化双频微带阵列

图7为阵列天线S参数仿真结果。图8为方向图仿真结果。

从图7中可以看出，两个输入端分别在2.56GHz和3.28GHz形成了谐振，和单元特性保持一致。两端口的隔离度均大于28dB，要强于单元特性。

图8为阵列两端口不同频率贴片的方向图，从图中可以看出，由于不同谐振频率贴片影响，E面方向图（phi=0°）最大值方向偏离法线方向，但是鉴于较宽的波束宽度，对天线性能影响较小。

图7 小型化双频阵列S参数仿真结果

图8 （a）低频段方向图

图8 （b）高频段方向图

4 结论

本文采用基于加载短路壁形成半模辐射的方法，在原有单元辐射效率的基础上，实现了微带贴片天线的小型化。并将两种谐振在不同频率的天线组合，使得在有限尺寸下天线具有两个谐振频率。

最后，通过将单元组阵，实现了具有双频特性的小型化贴片阵列。相比较常规贴片阵列，其尺寸减小2/3以上。

通过对模型的仿真分析，天线单元和阵列S参数结果和方向图结果满足要求，可以进行下一步的工作，如提高天线辐射效率和展宽带宽等。