基于隨機點陣提升天線增益的研究

谷喜瑩，陳　星

(四川大學 電子信息學院，四川 成都 610065)

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基于隨機點陣提升天線增益的研究

谷喜瑩，陳星

(四川大學 電子信息學院，四川 成都 610065)

摘要增益是天線研究的重要指標，通過許多不同的方法來提高天線增益，提出了一種全新技術來提升天線增益。以矩形貼片天線為例，在矩形貼片四周排布由若干金屬或空氣介質小矩形塊構成二維隨機點陣列結構，通過遺傳算法優化點陣結構，從而提高矩形貼片天線增益。設計了一款工作頻點為5.8 GHz的矩形貼片天線，增加隨機點陣結構后，該天線增益由7.76 dBi提高到10.32 dBi，口徑效率由51.30%提高到91.71%，|S11|<-10 dB相對阻抗帶寬提高了1.59%。隨機點陣結構的提出為提升天線增益提供了一種新思路。

關鍵詞微帶天線；隨機點陣；遺傳算法；增益

0引言

在無線通信[1]、遙測遙感和雷達[2]等應用中，天線作為信號的發射和接收裝置扮演著極其重要角色。增益[3]是天線的一個重要指標，在許多工程應用中經常采用多種技術提高天線增益，常用技術包括：利用平板、角錐和拋物曲面等金屬反射面[4]；多個天線單元組成陣列天線[5]；八木天線[6]等增加引導和反射振子；在天線前方加載介質透鏡[7]；利用超材料(Metamaterials)[8]等設計天線覆層等。這些技術在高增益天線的設計中已得到了普遍應用。但是這些方法中都存在著一些不足，在陣列天線中需要使用功分網絡，不但設計復雜，而且會隨著陣列單元的增多導致天線的輻射效率的降低；增加反射面或者覆蓋層的方法都會使天線的體積和重量增大，不易實現天線的小型化[9-10]。

本文將探索一種新的天線增益提高的新技術，即在天線四周排布隨機的二維點陣結構，該二維點陣結構由若干金屬或空氣介質小矩形塊隨機[11]組成，利用天線與點陣結構互耦[12]，修正天線表面電流分布，從而提高天線增益。本研究內容將為天線設計提供一種新的方法來提高天線增益。

1矩形貼片源天線設計

以一款工作頻點為5.8 GHz矩形貼片天線[13]為例，利用隨機點陣結構提升天線增益。如圖1所示，該矩形貼片天線[7]制作在相對介電常數為2.55、厚度為2 mm、長和寬都為50 mm的高頻基板上，天線的矩形輻射貼片長為14.6 mm，寬為14 mm，采用SMA接頭頂饋結構，饋電點離貼片邊緣距離為4.4 mm。

圖1　矩形貼片線示意

該矩形貼片天線的回波損耗和方向圖數值仿真結果如圖2和圖3所示。

圖2　矩形貼片天線回波損耗曲線

圖3　矩形貼片天線方向圖

從圖2和圖3中可知，該天線的|S11|<-10 dB相對阻抗帶寬為為4.82%(從5.67～5.94 GHz)，在工作頻點5.8 GHz處，天線增益為7.76 dBi，相對應的口徑效率為51.30%，而天線旁瓣為-17.28 dB。

2排布隨機點陣結構的矩形貼片天線

為提高天線增益，對設計的矩形貼片天線周圍排布隨機點陣結構[14]，如圖4所示。

圖4　四周排布隨機點陣結構后的矩形貼片天線

隨機點陣結構上的高自由度為提高天線增益提供了可行性，但也很大程度上增加了天線設計的復雜度。為減小設計難度，矩形貼片天線四周的隨機點陣結構采用沿水平和垂直中心線對稱的結構，因此只有1/4隨機點陣方形塊需要進行設計[15]。

隨機點陣的每一個方形小塊邊長取5 mm，包括矩形貼片天線和隨機點陣在內的整個高頻基板尺寸固定為50 mm×50 mm，因此整個高頻基板可容納10×10=100個隨機點陣方塊。除去矩形貼片占據的區域和考慮的對稱性，需要將21個方塊設計為金屬或介質屬性。

本文利用CST軟件進行建模仿真。通過VB宏編程控制CST軟件的建模以及仿真的過程，所以通過程序改變這21個方塊的屬性，利用21位二進制數表示：其中0代表屬性為金屬，1代表空氣介質，所以只要將這21位的二進制數進行優化即可得到天線的最大增益。

為了求解天線的最大增益采用優化算法進行優化。本文采用遺傳算法[16]，因為遺傳算法具有良好的隱并行性和全局搜索能力，是常用的工程優化方法之一。將二進制數作為遺傳算法的個體，適應度函數為Fitness=Gain+Flag，其中Gain為天線增益大小，Flag為判斷值0或者1，當天線在5.8 GHz、帶寬大于4.66%且旁瓣小于-12 dB時，Flag=1，否則Flag=0。可以看到，遺傳算法是以天線獲得最大增益同時兼顧天線在5.8 GHz阻抗匹配為目標進行優化的。遺傳算法調用CST的過程為：先將遺傳算法需要優化的參數寫入到一個文檔中，這里為了方便區分命名為input.txt。當優化過程中需要計算個體的適應度值的時候，算法會自動調用VB程序運行CST軟件，并且讀取input文檔中的參數進行計算，當CST計算完畢的時候會將計算的結果寫入到另外一個為output.txt文檔中，最后在算法中直接讀取output文檔的結果，并且完成適應度值的計算過程，用來提供優化算法的適應度值的分析，這就完成了遺傳算法對CST的調用過程。

3天線仿真和測試結果

對遺傳算法優化設計采用的隨機點陣結構矩形貼片天線進行了加工制作，對該天線進行了回波損耗和方向圖測試，測試結果與仿真數據的對比如圖5、圖6和圖7所示。

圖5　隨機點陣天線回波損耗曲線

圖6　隨機點陣天線方向圖(E面)

從圖5、圖6和圖7可以看出，該天線的測試和仿真結果吻合良好。在采用隨機點陣結構后，天線的|S11|<-10 dB相對阻抗帶寬為6.41%(從5.59～5.96 GHz)，比原矩形貼片天線提高了1.59%。隨機點陣結構對天線增益提高非常顯著，在工作頻點5.8 GHz處，天線增益由原來的7.76 dBi提高到10.32 dBi，增加了2.56 dB。隨天線增益提高，天線口徑效率由原來的51.30%提高到91.71%，而天線旁瓣為-16.27 dB。

圖7　隨機點陣天線方向圖(H面)

4結束語

針對提高天線增益，本文提出了一種新方法，即在天線四周排布由若干金屬/介質小塊組成的二維隨機點陣。以一款工作頻率5.8 GHz矩形貼片天線為例，在其四周排布10×10個，邊長為5 mm的隨機點陣，并利用遺傳算法對隨機點陣進行優化設計。仿真和測試表明，隨機點陣能夠顯著地提升貼片天線增益。在工作頻點5.8 GHz處，天線增益由原來的7.76 dBi提高到10.32 dBi，天線口徑效率因此由原來的51.30%提高到91.71%。本文提出的隨機點陣結構為天線設計中提高增益提供了一種新的思路和方法。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.14

收稿日期：2016-03-03

中圖分類號TN820.1

文獻標志碼A

文章編號1003-3106(2016)07-0052-04

作者簡介

谷喜瑩女，(1988—)，碩士研究生。主要研究方向：天線設計、智能優化算法。

陳星男，(1970—)，博士，教授。主要研究方向：天線設計、并行計算、電磁場數值計算和微波成像等。

Antenna Gain Improvement Based on Random Fragmented Element Array

GU Xi-ying,CHEN Xing

(CollegeofElectronicsandInformationEngineering,SichuanUniversity,ChengduSichuan610065,China)

AbstractAs an important indicator of antenna research,gain is of important significance,and many different methods are proposed to improve it.A novel method of enhancing antenna gain is proposed and studied in this paper.A rectangular patch antenna is taken as example.The antenna is surrounded by 2D fragmented elements,each of which is randomly assigned either conducting or non-conducting property,and is optimized by genetic algorithm,so a higher gain is achieved.A rectangular patch antenna operating at 5.8 GHz is designed.By attaching a random fragmented element array,its gain increases from 7.76 dBi to 10.32 dBi,and correspondingly its aperture efficiency increases from 51.30% to 91.71%,meanwhile its |S11|<-10 dB impedance bandwidth increases by 1.59%.The random fragmented element array proposed in this paper provides a new idea for antenna gain improvement.

Key wordsmicrostrip antenna;random fragmented element array;genetic algorithm;gain

引用格式：谷喜瑩,陳星.基于隨機點陣提升天線增益的研究[J].無線電工程,2016,46(7):52-55.