一种椭圆形宽带差分天线的设计∗

翟龙军 高 山 但波 宋伟健

（海军航空大学 烟台 264001）

1 引言

随着信息系统的集成化和小型化发展，信息系统的射频前端电路、天线和信号处理器件等低频电路趋近于一体化设计。在射频前端电路与低频电路的一体化设计中，为减少串扰，射频前端电路通常采用差分电路技术。通常的天线大部分被设计成单端口工作，不能直接与射频前端电路的差分端口相连接。尽管可以通过引入巴伦实现单端口到差分端口的转换，但是巴伦的引入在增加传输损耗，降低系统效率的同时，也降低了系统集成度［1］。

差分天线能够较好地解决射频前端电路差分端口与天线的互连问题。差分天线是指采用两个端口馈电，两个端口的馈电电流为幅度相等，相位相反的差分信号的天线。对于差分微带天线，由于可以直接与射频前端电路相连，避免了巴伦的使用，减少了信号在系统前端的损耗，使得系统有更高的集成度。同时，由于差分信号的引入，可以较好地抑制共模信号、提高隔离度，降低天线的交叉极化，有利于提高系统的性能［2～4］。

在差分天线的设计的过程中，由于差分馈电端口的引入，使得天线的带宽受到一定程度的限制，随着现代信息系统的瞬时工作带宽不断增加，宽带差分天线的设计显得尤为重要。论文给出了一种采用椭圆形辐射贴片和椭圆形谐振腔结构的宽带差分天线，通过椭圆形辐射贴片与地平面椭圆形谐振腔之间的缝隙实现宽带信号的辐射与接收。仿真结果表明，该天线在差分馈电时，具有较宽的工作带宽和较好的波束性能［5～7］。

2 差分天线主要特性参数

差分天线具有P+，P-两个差分馈电端口，因此可以将天线等效为二端口微波网络，如图1 所示。两个端口在等幅反相的奇模信号激励下，能激励起天线的辐射模式，在等幅同相的偶模信号激励下，无法激励起天线的辐射模式［8］。

2.1 差分输入阻抗

考虑等幅反相的奇模信号输入时，两个端口的差分电压Ud为

其中，U1、U2为两个端口的馈电电压；I1、I2为两个端口的馈电电流；Z11、Z22分别为端口1和端口2的自阻抗；Z12为端口1 到端口2 的互阻抗；Z21为端口2到端口1的互阻抗，且有

差分天线的输入阻抗Zd为

当差分天线两端口对称、可逆时有

此时，差分天线的输入阻抗Zd为

2.2 奇模反射系数

考虑馈电网络与天线馈电端口之间匹配情况时，由于天线的辐射模式主要由奇模信号激励产生，需要考虑奇模反射系数。根据图1（b）所示，两个端口的归一化入射波和反射波电压分别为u1i,u2i,u1r,u2r，且有

奇模反射系数为

对于奇模信号，两端口归一化入射波满足：

从而有

当差分天线两端口对称、可逆时有

此时，差分天线的奇模反射系数为

对应差分天线的奇模驻波比定义为

3 椭圆形差分天线结构设计

在平面结构天线设计中利用椭圆形辐射贴片边缘与椭圆形地平面边缘的渐变形状可以实现天线的宽带辐射［9～12］。

椭圆形宽带差分天线在FR4 基板上采用多层结构实现，由地平面、介质层1、辐射贴片层、介质层2组成。

地平面材料为金属铜箔，厚度为35μm；介质层1 材料为FR4 玻璃纤维介质，厚度为0.1163mm；辐射贴片层材料为金属铜箔，厚度为35μm；介质层2材料为FR4玻璃纤维介质，厚度为0.9605mm。

地平面外形为矩形，内部相对于中线开有椭圆型谐振腔。辐射贴片A为椭圆形辐射贴片，电磁波能量主要从辐射贴片与地平面椭圆形谐振腔之间的缝隙辐射。

辐射贴片A 开有椭圆型阻抗匹配调谐腔A 和阻抗匹配枝节A，用于在工作频率范围内实现宽带信号的阻抗匹配。辐射贴片B 与辐射贴片A 形状相同，相对于地平面中线对称。

馈电差分微带线用于实现超宽带雷达芯片与天线之间的馈电连接。差分微带线线宽为0.1792mm，线间距为0.4mm。

为实现波束单向辐射，可以采用反射板将一侧的电磁辐射能量进行反射，反射板为材料为金属铜，厚度为1mm。反射板与介质层2 之间为空气介质，反射板与介质层2距离9mm。

各部件详细尺寸如图2所示。

图2 椭圆形差分天线叠层结构

图3 椭圆形差分天线底面透视图

图4 椭圆形差分天线尺寸示意图

4 仿真结果与分析

4.1 无反射板时天线仿真结果

无反射板时，天线奇模反射系数如图5 所示，奇模驻波比如图6 所示。由图5、图6 可见，天线在5.2GHz～12GHz 范围内，满足反射系数小于-10，驻波比小于2。

图5 无反射板天线的奇模反射系数

图6 无反射板天线的奇模驻波比

无反射板时，天线2D 方向图如图7 所示，天线3D 方向图如图8 所示。由图7、图8 可见，在5.2GHz～12GHz 频率范围内，天线方向图波束无畸变，最大辐射方向垂直于天线所在平面两侧法线方向。工作频率为9GHz 时，天线增益为5.26dB；工作频率为5.2GHz 时，天线增益为2.38dB；工作频率为12GHz时，天线增益为3.16dB。

图7 无反射板天线2D增益方向图（ϕ=90°）

图8 无反射板时不同频率的天线3D增益方向图

4.2 有反射板时天线仿真结果

有反射板时，天线奇模反射系数如图9 所示，奇模驻波比如图10 所示。由图9、图10 可见，天线在7.9GHz～12GHz 范围内，满足反射系数小于-10，驻波比小于2。由于反射板的引入，天线工作带宽相对于无反射板的情况变窄，反射板主要影响低频段工作特性。

图9 有反射板天线的奇模反射系数

图10 有反射板天线的奇模驻波比

有反射板时，天线2D 方向图如图11 所示，天线3D 方向图如图12 所示。由图11、图12 可见，在7.9GHz～12GHz 频率范围内，天线方向图波束无畸变，最大辐射方向垂直于天线所在平面，无反射板一侧法线方向。工作频率为9GHz 时，天线增益为8.22dB；工作频率为7.9GHz 时，天线增益为6.87dB；工作频率为12GHz 时，天线增益为5.85dB。在同一频率点上，天线增益与无反射板情况相比，增加约3dB。

图11 有反射板天线2D增益方向图（ϕ=90°）

图12 有反射板时不同频率的天线3D增益方向图

5 结语

利用椭圆形辐射贴片边缘与椭圆形地平面边缘的渐变形状可以实现天线的宽带辐射，利用辐射单元的对称设计和差分微带线进行馈电，可以实现差分信号的馈电及辐射和接收，便于与射频集成电路差分输出端口的连接。采用反射板结构，以牺牲天线工作带宽为代价，可以实现波束的单侧辐射，提高天线增益。天线采用平面结构设计，便于与射频集成电路芯片进行集成设计，也可以作为宽带天线阵阵元使用。