宽带毫米波微带天线的设计与分析*

刘 傲，李迎松

（1.北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100191；2.哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引言

天线是一种变换器，能将传输线上传导的导行波变换为在无界介质中传导的电磁波或进行反向变换。天线在无线电设施中用来作为发射或接收电磁波的构件[1]，在无线通信、广播、电视、雷达、导航和微波遥测与遥感器等工程中得到了广泛应用[2]。随着现代无线通信系统的不断发展，无线通信可利用的低端频率逐渐减少，一定程度上已无法满足人们对于现代无线通信日益增多的使用需求。相较于其他波段的天线，毫米波天线凭借具有带宽较宽、探测能力较强、传输质量较高等优点，在现代无线通信系统中得到了日渐广泛的应用。

微带天线作为一种天线形式，由于具备重量轻、体积小、剖面薄等特点，在无线电通信、雷达、导航等工程系统中得到了广泛应用。然而，微带天线的带宽通常较窄，在毫米波段尤为明显，一定程度上限制了毫米波微带天线的应用。为了使毫米波微带天线能够在现代无线通信系统中获得更多的应用，需要拓宽传统毫米波微带天线的频带。国内学者许唐红等[3]提出了一种新型Alford 环天线，在4个偶极子Alford 环单频天线的基础上，增加内部耦合环结构，使天线具有较好的水平极化全向辐射性能，在MIMO 系统中做极化分集天线单元，得到了较为广泛的应用。国外学者Ahmed 等[4]提出了一种适用于5G 无线通信的三频段紧凑型高增益微带贴片天线。天线选用相对介电常数为2.2 的Rogers RT5880 作为基板，工作频率设计在国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）为5G 移动通信分配的10 GHz、28 GHz 和38 GHz 三个频率上。在微带天线的辐射贴片上，蚀刻一对T 型缝隙，减小了5G 无线通信系统与带内系统的干扰。设计的天线符合5G 通信所需的相应技术指标要求。

本文首先介绍微带天线的设计技术要求，其次分析影响微带天线带宽的因素，在矩形毫米波微带天线设计与分析的基础上，分别设计出C 型和W型两种宽带毫米波开槽微带天线，最后利用仿真软件对3 种天线的输入回波损耗、驻波系数、相对带宽和方向性等性能参数进行仿真优化和比较分析。仿真结果显示，矩形毫米波微带天线的相对带宽为12.42%，C 型和W 型宽带毫米波开槽微带天线的相对带宽分别达到了20.73%和21.89%，较矩形毫米波微带天线的相对带宽大幅提高。此外，C 型和W型两种宽带毫米波开槽微带天线的E 面和H 面的半功率波束宽度分别为62.8°、48.0°和63.5°、48.0°，具有良好的定向辐射特性。

1 宽带毫米波微带天线的设计

微带天线是在贴有金属接地板的介质基片的基础上贴加面单元结构的金属辐射贴片而制成的天线。微带天线的性能可从输入回波损耗、驻波系数、相对带宽、方向图与波瓣宽度、方向性系数、反射效率和增益等方面进行分析。

天线的方向图表征空间坐标的天线辐射的电场或功率的分布，反映天线在全部角度的辐射函数分布图的图样。实际应用中，常用功率方向图描绘天线的辐射特性，并且将方向图投影到两个相互垂直的正交的E 平面和H 平面上。E 面是电场方向和传播方向组成的平面，H 面是磁场方向和传播方向组成的平面。

波瓣宽度是描绘方向图的常用参数。工程中将3 dB 波瓣宽度称作天线方向图的主瓣[5-7]。主瓣是最大辐射区域，主瓣之外的其他波瓣即余下辐射区域称为旁瓣或副瓣。如果天线主瓣变小，则天线辐射的能量更加汇聚，方向性更好。

天线的方向性系数是在同一点处最大方向上的功率密度与相同辐射功率的各向同性天线功率密度的比值[8]，反映了天线在某一相同方向上的辐射能量汇集的程度。方向图形态与方向性系数关系密切。天线主瓣较宽，方向性系数较小；天线主瓣较窄，方向性系数较大。

本文微带天线的设计技术要求具有良好的定向辐射特性，输入回波损耗小于-10 dB，驻波系数小于2。矩形毫米波微带天线的相对带宽要求大于10%，C 型和W 型宽带毫米波开槽微带天线的相对带宽要求大于20%，增益要求大于10 dB。微带天线的辐射贴片采用矩形结构，馈电方式采用同轴线馈电，同轴线馈电使用同轴线直接激励辐射贴片，馈电点在辐射贴片范围内进行选取，且同轴线处于接地板之上和贴片之下，有效避免馈线对天线辐射的影响。微带天线同轴线馈电结构如图1 所示。

图1 微带天线同轴线馈电结构

宽带毫米波微带天线的设计如图2 所示。先对矩形毫米波微带天线进行设计，利用仿真软件对设计天线的特性参数如输入回波损耗、驻波系数、相对带宽和方向性进行仿真优化分析，比较天线尺寸对相对带宽的影响，并结合远场方向图的E 面和H面对天线的方向性进行重点分析。

C 型和W 型宽带毫米波开槽微带天线是在矩形毫米波微带天线的基础上对贴片开C 型槽和W 型槽，并利用仿真软件分析开槽深度和开槽宽度对天线主要特性参数的影响，结合远场方向图的E 面和H 面的相关参数分析天线的定向特性，最后对设计的矩形毫米波微带天线和C 型、W 型共3 种宽带毫米波开槽微带天线的主要性能进行比较分析。

2 矩形微带天线带宽的影响因素

采用同轴线馈电方式的矩形微带单层贴片天线的相对带宽为：

式中：ρ是微带天线的驻波比，λ0是自由空间波长，εr是介质基板的相对介电常数，d是介质基板厚度，tanδ为介质损耗角正切，σc是导体的电导率，Nr是矩形贴片微带天线的等效辐射电导与贴片尺寸的比值，即：

式中：Gr是矩形贴片微带天线的等效辐射电导，a和b分别为贴片的宽和长。

由式（1）和式（2）可知：

（1）当宽长比a与b的比值增加时，带宽BW增加；

（2）当天线介质基板的相对介电常数εr增大时，带宽BW减小；

（3）当天线介质基板的厚度d变大时，带宽BW增加。

所以，影响微带天线相对带宽的因素如表1所示。

表1 影响相对带宽的因素

3 矩形毫米波微带天线的设计

矩形毫米波微带天线的设计采用同轴线馈电方式，天线的贴片长和宽分别为b和a，介质基板的长、宽和厚度分别为b0、a0和d，贴片结构如图3 所示。

图3 矩形毫米波微带天线贴片结构

矩形毫米波微带天线工作于TM01模，贴片长度b近似等于介质波长λg的一半，且：

εe为有效介电常数，天线矩形贴片的长度b与相对介电常数有关。介质基板厚度除了影响天线的重量和体积之外，对天线的工作带宽也有较大影响。当介质基板厚度d＜λ0/16，驻波系数小于2 时的带宽经验公式为[9-11]：

式中：f是谐振频率，带宽的单位为兆赫兹（MHz）。

适当增加介质基板厚度能够有效增大天线的带宽，但是基板厚度在一定程度上也会影响天线的效率和天线的方向图特性[12-13]。这些因素相互制约，在确定介质基板的厚度时要考虑多方面的因素。

当介质基板的材料和厚度确定后，可以选取辐射贴片的尺寸。对于辐射贴片的宽度取值存在上限，上限值为：

式中：fr为天线谐振频率，c为光速。

长度b近似等于介质波长的一半。在辐射贴片长度b的实际设计中，由于贴片长度方向两端存在边缘场效应，所以b的值在半波长的基础上再减去2Δb，即：

式中λg是介质波长，其中：

介质基板的b0和a0的取值通常尽可能小，以减小天线体积、重量与成本：

根据上述设计方法，设计出谐振频率为60 GHz的矩形毫米波微带天线。介质基板材料选用聚苯乙烯，相对介电常数εr为1.03，天线采用阻抗为50 Ω 的同轴线馈电。当天线的馈电点位置坐标为（0.60，0.50）时，在谐振频率fr=60 GHz 时，天线的输入阻抗Zin=50 Ω，与同轴馈电线的阻抗相匹配，天线设计尺寸如表2 所示。

表2 矩形毫米波微带天线设计尺寸/mm

通过仿真与测量计算实验，矩形天线的输入回波损耗、驻波系数与频率的关系、天线的左/右谐振点E 面方向图和H 面方向图、天线的频率与相对带宽、天线的左/右谐振点E 面和H 面的方向图参数分别如第6 部分的仿真实验比较与分析中的有关图表所示。贴片长度和宽度分别保持2.06 mm 和2.48 mm 定值，分别改变贴片宽度和长度值时，输入回波损耗和驻波系数与长度和宽度的关系如图4所示。贴片长度和宽度为2.06 mm 和2.48 mm，改变介质基板厚度时，输入回波损耗和驻波系数与介质基板厚度的关系如图5 所示。分别改变贴片宽度、长度和介质基板厚度时的频率与相对带宽，分别如表3、表4 和表5 所示。其中的最低频率、最高频率、相对带宽均指右谐振点所在工作频带的参量，表中的“—”表示此种情况下天线只存在单个谐振点。

图4 贴片宽度和长度变化与输入回波损耗和驻波系数的关系

图5 介质基板厚度与输入回波损耗和驻波系数的关系

表3 改变贴片宽度时的频率与相对带宽

表4 改变贴片长度时的频率与相对带宽

表5 改变介质基板厚度时的频率与相对带宽

当贴片宽度或长度变化时，谐振点的位置发生变化，宽度增加，天线谐振频率逐渐减小且右谐振点时的输入回波损耗和驻波系数减小，天线的相对带宽片增加；长度增加，天线谐振频率减小且右谐振点时的输入回波损耗和驻波系数增大，天线的相对带宽减小。因此，贴片的宽长比增加时，天线的相对带宽增大。

当介质基板厚度变化时，谐振点的位置随之改变，厚度增加，天线谐振频率减小，且右谐振点时的输入回波损耗和驻波系数减小，天线的相对带宽随介质基板厚度的增加而增大。

4 C 型宽带毫米波开槽微带天线的设计

C 型宽带毫米波开槽微带天线是在矩形毫米波微带天线的基础上对贴片开C 型槽。在贴片上开槽[14]，实质上是槽边缘电流引入了附加谐振。开槽增加容抗，减弱探针的感抗，增大了矩形毫米波微带天线的频带。C 型宽带毫米波开槽微带天线贴片结构如图6 所示。

槽深Ca和槽宽Cb变化时，谐振点的位置发生变化。当贴片开槽深度和开槽宽度逐渐增加时，天线由单频点变为双频点且天线频带宽度逐渐增大，右谐振点处的输入回波损耗逐渐变小；开槽深度使两个谐振点均逐渐向左移动，开槽宽度使天线谐振频率先逐渐降低而后逐渐增加。随着开槽深度或槽宽继续增加时，两个谐振点之间的部分带宽已不再满足输入回波损耗小于-10 dB、驻波系数小于2 的条件。槽深Ca和槽宽Cb与输入回波损耗和驻波系数的关系如图7 所示。

图6 C 型宽带毫米波开槽微带天线贴片结构

图7 槽深Ca 和槽宽Cb 与输入回波损耗和驻波系数的关系

综合以上因素，选取开槽深度Ca为0.48 mm，开槽宽度Cb为0.68 mm。当天线的馈电点位置坐标为（0.61，0.49）时，谐振频率fr=60 GHz 时，天线的输入阻抗Zin=50 Ω，与同轴馈电线的阻抗相匹配。C型宽带毫米波开槽微带天线的设计尺寸如表6 所示。

表6 C 型宽带毫米波开槽微带天线设计尺寸/mm

根据表6 的设计尺寸和馈电点的坐标（0.61，0.49）进行仿真与测量计算实验，C 型天线的输入回波损耗、驻波系数与频率的关系、天线的左/右谐振点E 面方向图和H 面方向图、天线的频率与相对带宽、天线的左/右谐振点E 面和H 面的方向图参数分别如第6 部分仿真实验比较与分析中的有关图表所示。

5 W 型宽带毫米波开槽微带天线的研究与设计

W 型宽带毫米波开槽微带天线是在矩形毫米波微带天线的基础上对贴片开W 型槽，贴片结构如图8 所示。

槽深Wa和槽宽Wb变化时，谐振点的位置发生变化。当贴片开槽深度或开槽宽度逐渐增加时，天线由单频点变为双频点，且天线频带宽度逐渐增大，开槽深度使两个谐振点均逐渐向左移动，开槽宽度使右谐振点逐渐向右移动。开槽深度或开槽宽度逐渐增加到一定程度再继续增加时，天线的频带宽度逐渐减小，右谐振点处的输入回波损耗逐渐变小，两个谐振点之间的部分带宽不再满足输入回波损耗小于-10 dB、驻波系数小于2 的条件，天线的匹配特性变差。Wa和槽宽Wb与输入回波损耗和驻波系数的关系如图9 所示。

图8 W 型宽带毫米波开槽微带天线贴片结构

图9 槽深Wa 和槽宽Wb 与输入回波损耗和驻波系数的关系

综合上述因素，选取开槽深度Wa为0.58 mm，开槽宽度Wb为0.50 mm。当天线的馈电点位置坐标为（0.61，0.49）时，谐振频率fr=60 GHz 时，天线输入阻抗Zin=50 Ω，与同轴馈电线的阻抗相匹配。W型宽带毫米波开槽微带天线设计尺寸如表7所示。

表7 W 型宽带毫米波开槽微带天线设计尺寸/mm

根据表7 的设计尺寸和馈电点的坐标（0.61，0.49）进行仿真与测量计算实验，W 型天线天线的输入回波损耗、驻波系数与频率的关系、天线的左/右谐振点E 面方向图和H 面方向图、天线的频率与相对带宽、天线的左/右谐振点E 面和H 面的方向图参数分别如第6 部分的仿真实验比较与分析中的有关图表所示。

6 仿真实验比较与分析

矩形毫米波微带天线和在它基础上开槽而成的C 型和W 型宽带毫米波开槽微带天线采用相同的介质基板材料和辐射贴片材料。馈电方式采用同轴线馈电。为了验证天线的性能，采用3 维电磁仿真软件CST 对所设计的3 种毫米波天线的输入回波损耗、驻波系数、相对带宽、方向性等性能参数进行仿真比较与分析。3 种天线的输入回波损耗和驻波系数曲线、天线的左/右谐振点E 面方向图和H 面方向图分别如图10～图12 所示。

图10 天线的输入回波损耗和驻波系数曲线

图11 天线的左谐振点E 面方向图和H 面方向图

图12 天线的右谐振点E 面方向图和H 面方向图

3 种天线的频率与相对带宽、左/右谐振点E面和H 面的方向图参数分别如表8～表12 所示。

仿真实验结果表明：

（1）矩形毫米波微带天线、C 型宽带毫米波开槽微带天线和W 型宽带毫米波开槽微带天线满足输入回波损耗小于-10 dB、驻波系数小于2 的相对带宽分别为12.42%、20.73%、21.89%，三者带宽均大于且后两者明显大于设计所需的高于10%的技术指标要求。C 型宽带毫米波开槽微带天线和W型宽带毫米波开槽微带天线的相对带宽分别是矩形毫米波微带天线的1.67 倍和1.76 倍，相对带宽得到较大幅度的提高，W 型宽带毫米波开槽微带天线的带宽比C 型宽带毫米波开槽微带天线稍高。

表8 天线的频率与相对带宽

表9 天线的左谐振点E 面的方向图参数

表11 天线的右谐振点E 面的方向图参数

表12 天线的右谐振点H 面的方向图参数

（2）在左谐振点和右侧60 GHz 谐振点处，W 型宽带毫米波开槽微带天线的输入回波损耗分别为-23.62 dB、-29.74 dB，C 型宽带毫米波开槽微带天线的输入回波损耗分别为-21.09 dB、-19.82 dB，表明W 型宽带毫米波开槽微带天线的反射效率强于C 型宽带毫米波开槽微带天线的反射效率。

（3）3 种毫米波天线的增益较为接近且均大于10 dB，表明3 种天线均具有一定的高增益特性。

（4）在方向性方面，C 型宽带毫米波开槽微带天线和W 型宽带毫米波开槽微带天线在左谐振点处的E 面和H 面的半功率波束宽度分别为55.9°、63.4°和55.9°、66.0°，在60 GHz 谐振点处的E面和H 面的半功率波束宽度分别为62.8°、48.0°和63.5°、48.0°。两型宽带毫米波开槽微带天线的主瓣远大于旁瓣，天线能量主要集中于主瓣上，具备良好的定向辐射特性。

7 结语

本文通过在矩形毫米波微带天线设计与分析的基础上，设计出C 型和W 型两种宽带毫米波开槽微带天线，并利用仿真软件对3 种天线的性能进行仿真优化和比较分析。实验结果表明，设计的微带天线具有良好的相对带宽和定向辐射特性，满足设计技术要求，拓宽了微带天线在工程系统中的应用范围。