基于人工磁导体的超宽带高增益天线设计

梁伟龙,李 龙,巫 钊,黄艳虎

(1.南京电子技术研究所,江苏 南京 210013;2.玉林师范学院 物理与电信工程学院,广西 玉林 537000)

0 引言

随着无线通信技术的飞速发展,无线通信环境也正在变得愈发复杂,频谱资源趋于紧张,这对现代无线通信的容量和质量提出了更高要求。 天线宽带化和高增益可以提高通信系统容量和提升抗干扰能力,从而提高通信质量[1-2]。

目前,天线宽带化技术手段主要包括加载寄生单元、缝隙耦合馈电、渐变辐射单元等。 天线通过加载寄生单元,引入多频谐振,从而实现天线宽带化。 但传统寄生贴片也会增强表面波损耗,从而降低天线效率和增益。 天线采用耦合馈电可以产生寄生耦合,从而降低天线Q 值,实现宽带化,但寄生耦合扩频能力有限,无法满足超宽带化需求。 渐变辐射单元的设计类似于Vivaldi 天线,渐变的结构有利于优化阻抗匹配,从而获得宽带性能,但增益较低、损耗高是该方法的不足之处[3-7]。

为了解决传统宽带天线增益低的问题,本文提出了一种基于人工磁导体的超宽带高增益天线。 天线由辐射单元、AMC 反射板和寄生超表面单元组成。 天线的辐射单元为梯形结构,其渐变的结构有利于天线获得超宽带性能。 AMC 反射板和寄生超表面单元的引入,降低了天线背向辐射水平,大大提升了天线的定向性。 此外,在辐射单元和寄生单元之间引入了寄生耦合,天线达到了改善阻抗匹配的效果。 仿真结果显示,天线工作带宽(|S11|≤-10 dB)达到94.8%(2.13 ～5.97 GHz),峰值平均增益9.5 dBi。

1 天线设计

天线结构如图1 所示。 天线主要由3 部分组成,包含辐射单元、AMC 反射板和寄生超表面单元。 其中,AMC 反射板和辐射单元分别印刷在1 mm 和0.8 mm厚度的FR-4 介质板上,介电常数εr为4.4。 寄生超表面单元印刷在2 mm 厚度的Rogers 4003(tm)介质板上,介电常数εr为3.55。 辐射单元为梯形辐射贴片,它与参考地单元印刷在介质板的同一侧。 梯形辐射贴片渐变的边缘结构有利于调谐天线阻抗匹配,降低天线的Q 值,从而实现天线的宽带特性。 AMC 反射板由9×9 四角星形AMC 单元组成,置于辐射单元下方,实现天线的定向辐射。 寄生超表面单元由5×5 箭形单元组成,置于辐射单元上方。 辐射单元和寄生单元之间引入寄生耦合,改变天线电流分布,通过感应电流激励产生高次模,从而改善阻抗匹配,拓展天线带宽。 相较于传统的加载寄生贴片单元的拓频技术,采用寄生超表面单元不仅没有牺牲天线增益,相反地,显著改善了高频工作段的峰值增益。

图1 天线结构

经过仿真优化,得到了天线最终设计及各尺寸参数,如图2 和表1 所示。

表1 天线结构参数

2 天线分析

本文所提出天线设计步骤如图3 所示,图4 给出了3 种天线设计的仿真结果。 首先,根据Vivalid 天线的宽带辐射特性,本文设计了梯形形状的辐射贴片,辐射贴片嵌入蚀刻了梯形槽的参考地平面。 梯形辐射贴片的宽度逐渐增加,其工作原理类似喇叭天线,向外辐射电磁波。 由于不同工作频率电磁波对应不同的电长度,所以渐变的结构可以满足不同频率电磁波的辐射需要。 因此,合理地设计梯形辐射单元的渐变幅度可以实现天线宽带化性能。 最终,天线1 几乎覆盖了2.2 GHz 到 5.9 GHz 频段,带内平均峰值增益约4.5 dBi。 虽然在4.5 GHz 附近阻抗匹配略差,但这验证了梯形辐射单元的宽频特性。 为了改善天线的增益性能,天线2 在天线1 的基础上加入了寄生AMC 反射板。 AMC 辐射单元采用四角星结构设计,相较于传统的矩形贴片,四角星结构可以在不增加单元尺寸的情况下,延长AMC 单元的电长度,实现了AMC 单元小型化。 最终,为了满足超宽带的反射相位,AMC 反射板置于辐射单元下约1/4λ (4 GHz)处,天线实现带内平均峰值增益约8.5 dBi。 可见,AMC 反射板的加入,大大提升了天线的定向性。

图3 天线结构演变

图4 3 种天线设计性能比较

受到微带天线固有的表面波损耗大特性的影响,天线2 高频段的峰值增益呈下降趋势。 为了降低天线的表面波损耗,提高天线的定向性,改善其阻抗匹配,天线3 加入了箭形超表面寄生单元。 同样地,与矩形贴片相比,箭形单元可以延长贴片电长度,实现超表面的小型化。 相较于传统的贴片寄生单元,超表面寄生单元可以抑制表面波损耗,从而改善天线增益天线。此外,辐射单元与寄生单元之间引入寄生耦合,引入新的谐振点,实现多频谐振,改善阻抗匹配,从而实现了天线的超宽带化。 最终,天线工作带宽达到94.8%,完全覆盖2.13 GHz 到5.97 GHz 频带,带内平均峰值增益9.5 dBi。 寄生超表面达单元的加入,改善阻抗匹配的同时,抑制表面波损耗,显著改善了天线高频段的增益性能。

为了进一步验证梯形辐射贴片的宽带特性,本文采用了特征模式分析法研究天线的宽频特性。 由于天线辐射的本质是边缘辐射,所以只需对梯形贴片和参考地单元之间的梯形环缝隙进行特征模式分析,即可得到辐射单元的宽带特性原理。 如图5 所示,通过仿真,得到了缝隙的前6 个特征模式的模式因子MS。 可以看到,模式3 的模式因子在所研究频带内小于0.2,不易被激励。 而其余5 个特征模式的模式因子均有模式因子为1 的频点,所以有被激励起来的潜力。 另外,各模式谐振点下的电流分布如图6 所示,模式1,4,6的模式电流相互抵消,因此这3 个模式也不易被激励。模式2 的电流分布主要集中在上边和底边,而模式5则主要集中在底边。 基于模式因子和电流分布特性分析,模式2,5 具备激励起来的条件。 所以,可以在缝隙底边位置适当添加激励,将特征模式2,5 激励起来,实现本天线的宽带化特性。 在辐射单元底部添加激励后,图7 给出了模式加权系数MWC 的仿真结果。 可见,该贴片只有特征模式2,5 被激励起来,此仿真结果与前文分析结果一致。

图5 模式因子MS

图6 特征电流分布

图7 模式加权系数

3 结语

本文提出了一款基于人工磁导体的超宽带高增益天线。 天线的辐射体采用渐变结构设计以实现宽带化,引入AMC 反射板实现天线定向辐射。 与传统的寄生单元表面波损耗严重不足相比,天线加载了超表面寄生单元,不仅可以改善阻抗匹配,实现超宽带化,还可以抑制表面波损耗,实现高增益,这也是本文的亮点之一。 最终,天线工作带宽达到94.8%,平均峰值增益9.5 dBi,满足目前2/3/4/5G 移动通信、WiFi 无线通信和S/C 波段卫星通信频段,具有广泛应用前景和研究价值。