一种新型桥式复合结构的高增益宽波束微带天线*

孙雨婷，徐永佳，郭庆功

（四川大学 电子信息学院，四川 成都 610064）

0 引言

近年来，高增益宽波束全向天线阵列被广泛应用于机载、车载等高速移动通信系统及雷达、卫星通信系统。使用微带天线作为其信号收发的载体，有利于系统的小型化、集成化，而其阵子单元则须具有增益高、E 面和H 面波束均衡、尺寸小的特性。

微带天线常使用贯穿销钉、复合介质板、增加腔体结构等方法实现高增益和宽波束[1-4]。文献[1]采用了贯穿销钉连通贴片与接地面的方式，设计了一个工作于E 波段的天线。在工作频段内，天线增益为5.5 dBi，具有86°×86°的均衡3 dB 波宽，尺寸为1.5λ0×1.5λ0×0.28λ0。文献[2]提出了一款工作于X 波段（点频）的线极化微带天线，使用复合介质板的结构来实现高增益和宽波束。天线在工作频点的增益为7 dBi，3 dB 波宽为88°×64°，尺寸为1.67λ0×1.67λ0×0.07λ0。

用上述手段提高增益、展宽波瓣，通常会使天线尺寸过大。近年来，有学者提出了增加寄生贴片、开渐变缝隙等方法以进一步缩减尺寸[5-11]。文献[5]提出了一款工作于Ka 波段的线极化微带天线，通过增加环形寄生贴片的方法来展宽波瓣，并使用设计的单元组成了8 元线阵，其单元的3 dB 波宽为159°×74°，单元尺寸为0.74λ0×0.74λ0×0.13λ0；文献[6]亦采用了增加寄生贴片的方法，设计了一种工作于Ka 波段的微带天线，并组成了8 元线阵。天线单元的驻波带宽为2.9%，E 面波宽为164°，尺寸为0.72λ0×0.72λ0×0.13λ0。文献[7]设计了一款由微带准八木天线组成，工作于S 波段的二元阵列，其3 dB 波宽为30°×120°。以上3 款天线都达到了缩减尺寸的效果，但其E 面和H 面波宽对称性较差，且其单元增益只有5 dBi 左右，不利于应用在宽俯仰面的高增益垂直极化全向阵列中。

本文运用桥式复合介质板结构的方法，设计了一款高增益、宽波束、小型化微带天线，其3 dB波宽为80°×90°，波束均衡度好，便于应用在宽俯仰面的垂直极化全向阵列中，且天线单元尺寸仅为0.45λ0×0.45λ0×0.07λ0，有利于阵列尺寸的缩减。

1 天线设计与仿真

传统的微带天线只有5～7 dBi 的增益，以及60°～90°的3 dB 波宽。对于移动通信系统来说，这样的增益和波宽无法满足实际应用的需求。具有余弦均匀分布的平面矩形孔径的方向性D可以估计为：

天线的口径效率εap定义为：

其中G是增益，Ap是天线的物理口径。可知，当天线的半波束宽度一定时，天线的方向性是一定的。要在波束宽度确定的情况下提高天线增益，可以设法提高天线的口径效率，而传统微带天线的口径效率只有40%～60%，还有一定的提升空间。

文献[2]采用了复合介质板结构来提高辐射效率，但由于其沿天线H 面介质板不对称，导致贴片有效辐射面积较低，影响了辐射效率。为了保证方向图的对称性，提高天线的有效辐射面积，便于调节天线的电气性能，本文设计了一种桥式复合介质板的结构，如图1 所示。最上层是厚度为1 mm 的金属贴片；中间层两边是介电常数为εr的介质材料，中心为空气，组成桥式复合介质板结构；最下层由F4B 基板和腐铜接地面构成，采用探针馈电，在地板下方接入SMA 接头。

图1 天线结构

由于高介电常数的材料损耗较大，不利于提高天线的辐射效率。而普通低介电常数基板的厚度通常是确定的，不利于桥式复合介质板结构的设计。因此，选择了PTFE 作为介质材料。为了探究桥式复合介质板结构的特点，分析了地板宽度D、空气层宽度S和层高H天线性能的影响。如图2 所示，随着D的增加，天线工作频率向低频移动，天线E面波宽先升高后降低，H面波宽升高；随着S的增加，天线工作频率向高频移动，天线E 面波宽先升高后降低，H 面波宽降低；随着H的增加，天线工作频率向低频移动，天线E 面波宽降低，H 面波宽升高。

图2 变量D、S、H 的分析结果

综合分析结果，确定天线的最终尺寸如表1所示。从仿真结果可以看到，天线的工作频段为2.37～2.53 GHz（6.5%），增益为7.1 dBi，3 dB 波宽为80°×92°。天线参数变化时，天线驻波和辐射性能变化较小，鲁棒性好。另外，此天线还具有结构简单、易于加工的特点。

表1 天线尺寸/mm

对称的介质结构可使天线的表面电流分布更加均匀，提高有效辐射面积，在矩形贴片的宽边馈电，使得天线得以展宽E 面波束，达到E 面和H 面波束平衡的效果，有利于后续组阵应用。图3 给出了文献[2]中天线和本文所设计天线的贴片表面电流。可以看到，本文所设计天线的有效辐射面积有了明显提升。

图3 贴片表面电流仿真对比分析

2 测试结果分析

图4 和图5 分别给出了天线加工后的实物图和实测结果。

图4 天线实物

图5 天线实测结果

实验结果表明，天线在2.36～2.56 GHz（8.1%）的频段内驻波小于2，比仿真结果多出了1.6%的带宽，是由于加工时每层结构间存在微小缝隙导致层高增大造成的。增益大于7 dBi，3 dB 波宽为80°×90°，实测和仿真结果吻合度良好。据式（2）可计算本文所设计天线的口径效率为87.5%，远高于传统微带天线的口径效率，与上一节辐射面积增加的仿真结果相吻合，因而能在不影响波束宽度的同时实现高增益，达到在同样增益下波束更宽的效果。

3 结语

采用桥式复合介质板结构，设计了一款高增益宽波束天线。仿真和实验结果表明，天线在2.36～2.56 GHz（8.1%）的工作频带内驻波小于2，增益大于7 dBi，3 dB 波宽达80°×90°，且尺寸仅0.45λ0×0.45λ0×0.07λ0。天线的口径效率高达87.5%，实现了在同样增益下波束更宽的效果，且天线E 面和H 面波束均衡，可作为高速移动通信系统中的垂直极化高增益全向阵列的阵子单元。