紧凑型大频比双频天线的设计

郝佳宁，冯立营

（天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222）

随着通信技术、雷达以及物联网的快速发展，微波波段的频谱划分变得越来越拥挤，此时拥有丰富频谱资源的毫米波频段逐渐成为研究开发的方向。然而，由于毫米波存在传输距离短、传播损耗高的缺点，短时间内无法完全取代微波频段[1-2]。由此可见，微波和毫米波的发展是并行不悖的，此时需要通信系统能够在2个波段同时运行，故需要设计出能够将2种跨度较大的频段全部覆盖的天线。具有较大频率比的双频天线甚至是多频段天线是解决这一问题的有效手段。

设计大频比双频天线最直接的方法是对上频带和下频带的天线分别进行设计，然后通过垂直放置[3-4]或者水平放置[5-6]的方法组合在一起。这种天线设计简单，但直接组合的方式却增加了天线的体积，意味着制作成本的增加。在不增加原有单个天线结构体积的前提下，集成不同类型的天线成为了焦点。如将介质集成波导与单极子天线[7]、微带线[8]以及平面倒F天线[9]相结合；将周期性的贴片天线作为法布里-珀罗谐振器天线的部分反射表面[10]；将法布里-珀罗谐振器天线与偶极子天线[11]集成在介质板中等。

为了保持紧凑的尺寸，天线类型的选择也十分重要。由于介质谐振器天线的尺寸与所选择的电介质材料的介电常数有关，所以研究介质谐振器天线具有解决低频天线体积较大问题的潜力。同时，介质谐振器天线还具有重量轻、Q值高、易于集成、成本低等优点，选择介质谐振器天线作为低频段的天线与其他天线进行集成是十分有利的。介质谐振器天线常见的形状有圆柱形[12]、矩形[13]以及半球形[14]。在文献[15]中，通过使用一个沿中心有矩形凹槽的矩形介质谐振器实现了双频辐射功能，在矩形凹槽处附上铜贴纸代替传统的金属板，在保持天线结构紧凑的同时，降低了天线的重量，将法布里-珀罗谐振器天线与介质谐振器相结合，使天线能够同时工作在微波波段和毫米波段。本设计采用圆柱形介质谐振器，体积比文献[15]中的矩形介质谐振器更小，制作工艺更加简单，只需调节半径和高度2个参数，设计也更简便。本设计在圆柱形介质谐振器天线的中间挖一个矩形槽，在切割面的侧面与底面进行电镀，构成法布里-珀罗谐振器天线的谐振腔。低频和高频的隔离度在-77 dB以下，保证了双波段天线在各个频带工作的稳定性。

1 天线结构

本研究所提出的紧凑型大频比双频天线的结构如图1所示。相关的尺寸参数分别为ε1=10，ε0=1，w0=150 mm，ws=2 mm，wr=2 mm，L1=2.8 mm，Ls=11.5 mm，Lr=7 mm，s=1 mm，r1=13.8 mm，r2=2.5 mm，r3=1mm，h0=4mm，h1=20 mm，h2=10 mm，h3=2.8 mm，d=7.2 mm，2个频段拥有各自的输入端口。

图1 双频天线的结构图

该设计采用圆柱形介质谐振器作为低频部分的天线，在其中心挖去一个的矩形槽用于满足高频法布里-珀罗谐振器天线的构成条件，设计的介质谐振器的介电常数为ε1，高为h1，半径为r1。天线放置在介电常数为ε0、高度h0、长和宽均为w0的矩形地板上。通过一个矩形条带激发介质谐振器，矩形条带的长为Ls，宽为ws，这种馈电方式提高了天线的阻抗匹配。

高频部分的天线则选择结构简单、高增益的法布里-珀罗谐振器天线，基本的法布里-珀罗谐振器天线由2个平行的金属板构成。对文献[15]中凹槽周围的金属层进行了改进，使用陶瓷镀铜代替文献[15]中的铜贴纸，完成对槽的侧面及底面的金属化。陶瓷镀铜可以使陶瓷表面附着一层铜薄膜，克服了铜贴纸在陶瓷表面不牢固的缺点，并且现代电镀技术比较成熟。理想的法布里-珀罗谐振器天线2个无限长反射板之间的距离为波长的1/2，实际中反射板无法做到无限长，因此2个反射板之间的距离稍有偏差，通过HFSS软件优化得到2个板之间的最优间距d。通过在槽的两侧加入长和宽分别为Lr和wr的脊，有效地抑制了不必要的副瓣。最后通过一个L型探针对法布里-珀罗谐振器天线进行馈电，探针半径为r3，垂直臂高出凹槽的长度为h3，水平臂的长度为L1。然而，L型探针会导致方向图有倾斜，本文对此方面进行了优化并设计了一个半环型的套筒。半环形套筒的外半径r2设计的与L型探针的水平臂长度相似，通过优化得到了最优参数。

2 双频带天线的设计

2.1 低频介质谐振器天线

2.1.1 介质谐振器天线的工作原理

理想导体壁被称作电壁。由于电壁上的磁场法向分量为0、电场切向分量为0，所以能够将入射到电壁上的电磁波完全反射，没有波穿过电壁。将电壁构成一个腔体，电磁能量便能够在腔内发生谐振。由于金属谐振腔的金属壁可以看作电壁，在谐振的过程中则不会有波穿过金属腔。但在介质谐振器中，侧壁不能看作电壁，能量会在谐振过程中辐射出去，从而使介质谐振器成为辐射体。

介质谐振器天线是由介质谐振器构成的，通过特定的馈电方式可以对谐振器进行激励，产生多种谐振模式。该设计采用一个矩形条带激发介质谐振器。

介质谐振器工作在HEM11模式。对介质谐振器天线挖矩形槽并没有影响到介质谐振器天线的辐射模式，介质谐振器天线可以在设定的频带内正常工作。

2.1.1 馈电微带线尺寸对参数的影响

利用ADS中的Linecalc对介质谐振器天线的矩形馈电线的尺寸进行计算，得到矩形微带线的宽度为wS=2 mm。ANSYS HFSS是一款三维结构电磁仿真软件，拥有标准级的三维电磁场设计和分析能力，利用该软件对天线进行模拟。图2显示了矩形微带线长度变化对低频的介质谐振器天线回波损耗S11的影响。

图2 矩形微带线长度对S11的影响

当矩形微带线的长度LS分别为11.5 mm、12 mm和12.5 mm时，通过模拟图可以观察到随着微带线长度的增加，介质谐振器天线的反射系数曲线向低频偏移，同时反射系数的最小值逐渐减小。当长度为12.5 mm时，天线的阻抗匹配最好，反射系数的最小值达到-26.5 dB，因此选择LS=11.5 mm。此时天线的中心频率在2.45 GHz，阻抗带宽（S11＜-10 dB）达到7.34%。

2.1.2 低频天线的模拟结果

利用HFSS电磁仿真软件对紧凑型大频比天线进行仿真，低频时模拟的S参数以及增益结果如图3所示。

图3 介质谐振器天线的反射系数和增益

-10 dB的阻抗带宽为7.34%（2.37～2.54 GHz），覆盖了2.4 GHz ISM频段中的2.4～2.483 5 GHz频段，此频段是全世界公开通用无线频段，被广泛用于蓝牙、无线局域网等。图3还显示了介质谐振器天线的仿真增益，从图中可以看出，在给定频带内天线的增益范围为6.63～6.96 dBi。

介质谐振器天线在中心频率时E面和H面的仿真辐射如图4所示。

图4 介质谐振器天线的方向图

从图4可以看出，圆柱形介质谐振器天线在2.41 GHz时，得到了6.79 dBi的增益，E面的交叉极化电平低于-6.03 dB，H面的交叉极化电平低于-41 dB。在整个角平面上共面极化场都强于交叉极化场，实现了较为理想的结果。

2.2 高频法布里-珀罗谐振器天线

2.2.1 法布里-珀罗谐振器天线的工作原理

法布里-珀罗谐振器天线由辐射源以及部分反射面构成。来自于辐射源的电磁波经过部分反射面后，一部分被辐射出去，另一部分则被反射回谐振腔内继续进行反射和透射。2012年，Lu等[16]提出了一种新型的法布里-珀罗谐振器天线，在2个金属平行板之间放置了一个L型探针，将探针的谐振模式设置为接近法布里珀罗谐振模式，扩大了天线的带宽。

本设计中的高频天线使用介质谐振器挖出的矩形槽作为谐振腔，在矩形槽周围镀铜作为金属反射面，使用L型探针馈电。由于L型探针的不对称形状，导致方向图倾向于水平探针伸出的方向。设计一个半环形套筒放置在探针的背后，提供了与L型探针相反方向的电流，缓解了辐射图的不对称。

2.2.2 脊的尺寸对参数的影响

为了防止能量分散到旁瓣中，抑制旁瓣是很有必要的。本设计采用在法布里-珀罗谐振器天线两侧引入2对脊的方法来降低旁瓣，脊对天线方向图的影响如图5所示。从图5可以看出，基本天线的方向图旁瓣达到0.33 dB，经过改进之后旁瓣可以观察到均在-8.86 dB以下。虽然该方法损失了一些增益，但波束宽度也相应地增加。

图5 脊对天线方向图的影响

本设计研究了脊的长和宽对天线阻抗匹配的影响，结果显示，脊的宽对天线的影响较大。脊的宽度分别为1 mm、1.5 mm和2 mm时，对法布里-珀罗谐振器天线S22参数的影响如图6所示。

图6 脊的宽度对法布里-珀罗谐振器天线S22参数的影响

从图6可以看出，随着脊宽度的增加，法布里-珀罗谐振器天线的频率逐渐向设定的24 GHz中心频率靠近，反射系数的最小值在wr=2 mm时达到-37.06 dB，并且阻抗带宽也在逐步增加。最终选择宽度wr=2 mm作为脊的宽度，此时天线的中心频率在24 GHz。

2.2.3 高频天线的仿真结果

利用HFSS电磁仿真软件对高频的法布里-珀罗谐振器天线进行仿真，模拟的S参数及增益如图7所示。

图7 法布里-珀罗谐振器天线的反射系数和增益

高频时天线的中心频率在24 GHz，S22＜-10 dB的范围为23.38～24.76 GHz，阻抗带宽为5.58%，覆盖了24～24.25 GHz的窄带（NB）频段。从图7可以看出，法布里-珀罗谐振器天线的增益在7.04～10.95 dBi内波动。

图8显示了介质谐振器天线在中心频率时E面和H面的模拟辐射图。

图8 法布里-珀罗谐振器天线的方向图

法布里-珀罗谐振器天线在24 GHz时，增益达到了8.67 dBi，E面的交叉极化电平低于-32.4 dB，H面的交叉极化电平均低于-13.43 dB。在其他频率下也模拟了辐射模式，在通带上取得了非常稳定的结果。

3 结 语

本研究提出了一种紧凑型的大频比双频天线，通过在圆柱形介质谐振器中间挖矩形槽的方法，将其与法布里-珀罗谐振器天线相结合。由2个端口进行馈电，互不干扰，天线的下频段和上频段的阻抗带宽分别为7.34%和5.83%，并且2个频带的交叉极化很低。对于高频法布里-珀罗谐振器天线的设计，可以通过改变2个金属板间的距离来改变天线的中心频率，使得天线不仅限于本设计的24 GHz，使其具有一定灵活性的同时，满足频率跨度较大的天线的需求，同时实现了天线的小型化。但高频部分的增益波动较大，有待进一步优化。