加載寄生正方形陣列的超寬帶閉環天線

徐洪成 張斌珍 段俊萍 崔建利

關鍵詞： 正方形陣列; 寄生耦合; 多諧振; 超寬帶; 閉環天線; 輻射特性

中圖分類號： TN823+.15?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）03?0014?04

Abstract： An ultra wide band （UWB） closed?loop antenna loaded with square array was designed and fabricated on the basis of the design thought of slot antenna and array antenna. The regular hexagonal ring structure is taken as the center of UWB antenna， and a 2×2 square array is etched around the structure. The simulation analysis results show that， by means of the ring structure loaded with the parasitic coupling square array， multiple resonance peaks can be formed in the entire frequency band from 8.5 GHz to 16 GHz， the maximum gain can reach up to 7.48 dBi， the relative bandwidth can reach up to 32.8% （10.63～14.84 GHz）， and the bandwidth is relatively increased by about 310%， so that the broadband and high?efficiency performances of the antenna are realized， and the forward gain of the antenna is increased by 2.5 dBi. In addition， the antenna can strongly suppress the back scattering ripple in the radiation direction， and realize perfect radiation characteristics in the antenna radiation field. The research results show that the test results and simulation results are basically the same.

Keywords： square array; parasitic coupling; multi?resonance; UWB; closed?loop antenna; radiation characteristic

0 ?引 ?言

隨著無線通信和雷達技術的發展，由于頻譜利用率越來越受到限制，因此寬頻帶天線[1?5]受到廣泛關注。目前，展寬帶寬的方法有采用加載集總和分布式元件[6]、多層介質結構之間的通孔互耦[7]、采用[14]波長微帶線諧振器進行耦合[8]及在天線上加載新型超材料[9?12]，這幾類展寬天線帶寬的技術已經得到廣泛應用，但是耦合效應對帶寬的研究較少。附加寄生耦合陣列技術可以保證原有的天線結構，方便可共形天線的制作，且結構簡單、剖面低，可廣泛應用于機載、彈載天線的設計。

在天線基板上加載寄生貼片陣列，實現環形結構和貼片之間的寄生耦合，可改善環形結構和貼片之間的耦合效應，抑制天線輻射時的表面波。由于陣列和輻射貼片之間距離的位置匹配了多種工作波長長度，進而使天線可以形成寬阻抗匹配能力。本文研究了寄生貼片對高頻段帶寬的作用，設計出一種加載正方形陣列的環形天線。利用在介質基板上刻蝕的正六邊環形結構，通過加載寄生正方形陣列使其工作在需要被抑制的頻帶，寄生陣列在陷波頻帶內電流方向與貼片表面電流相反，從而展寬了天線帶寬。另外，由于加載耦合貼片使得天線對后向散射的抑制能力增強，改善了天線的工作效率，提高了天線的增益，進而改善了天線的輻射性能。

1.2 ?天線的仿真分析

正六邊形環形天線具有良好的旋轉對稱性，保證了任意極化方向的入射波都可產生諧振，內外正六邊形邊緣相互耦合在多個頻點產生諧振，這些諧振點的帶寬相互交叉從而拓寬了天線的帶寬，而且環形結構在天線仿真優化時由于其只有內外半徑是主要變量，大大降低了仿真優化的難度。

正六邊形環行天線的輻射特性及阻抗匹配特性主要受內外邊長的影響，通過改變參數[Sout，Sin]進行仿真，圖2給出了不同內外邊長天線反射損耗曲線。

由圖2a）可以看出，天線的諧振頻率隨著外邊長的增大而降低，符合天線諧振頻率與天線尺寸成反比關系，天線在諧振頻率處的回波損耗都小于-10 dB。當[Sout]為15 mm時，天線的-10 dB工作頻段為11.6～13.8 GHz，相對帶寬約為19.9%;[Sout]逐漸增大，天線的工作帶寬減小，在諧振頻率為13.3 GHz時，天線的回波損耗可達到-35.8 dB，表明在該設計尺寸下天線不僅具有超寬頻段特性，且天線的阻抗匹配特性良好。在外邊長[Sout]為16.5 mm時，改變內邊長[Sin]進行仿真，如圖2b）所示，天線的諧振頻率隨著內偏心距的增大而增大，[Sin]增大到9.6 mm時天線在10.7 GHz附近的諧振頻率消失，相對9.3 mm時工作帶寬增加了0.5 GHz。

通過上述仿真分析，天線的內、外邊長都影響影響天線-10 dB的工作帶寬，天線的帶寬隨著[Sout]增大逐漸變小，工作帶寬內的諧振頻率向高頻段移動，諧振深度也逐漸加深，表明天線在該頻段內阻抗匹配變好，并且工作帶寬變寬;天線工作帶寬隨著環形結構的內邊長增大逐漸變寬，但是回波損耗也在逐漸增大，表明內邊長可以改善天線帶寬，卻抑制了天線的工作效率。通過仿真優化，得到正六邊形環形天線最優設計參數變量如表1所示。

正方形貼片以正六邊形環幾何水平、垂直面為對稱面分布在環形天線的周圍，正方形貼片邊長的尺寸為[S1]，兩貼片水平耦合間距為[Lp=]36 mm，垂直耦合間距為[Wp=]30 mm。

通過改變[S1]參數來改變環形結構和寄生貼片之間的耦合距離，得到未加載和加載正方形貼片陣列時天線的回波損耗。如圖2c）所示，在正方形貼片幾何中心位置不變的前提下，加載正方形陣列后，天線的諧振頻率增至為7個，天線的諧振頻率向右移動，低頻段處天線的回波損耗增大，高頻段處諧振點增多，相對帶寬變寬;[S1]為8.48 mm時，-10 dB阻抗帶寬相對未加載陣列時提高了310%，相對帶寬為32.8%。當[f=]10.78 GHz（第一個諧振頻率），天線不同相位的電場強度如圖3所示。閉環邊緣輻射強度大，在不同相位下將電場耦合到不同的陣列單元上，使得較小尺寸的陣列單元可以在高頻產生諧振，進而拓寬了天線的工作頻段。由天線工作帶寬增加的回波損耗大幅度降低，寄生正方形陣列工作在天線輻射被抑制的高頻段，使天線在高頻段阻抗匹配變好，天線體現超寬頻帶和低損耗的特性。

1.3 ?天線方向圖分析

仿真分析天線在諧振頻率為10.78 GHz和11.34 GHz的方向圖，如圖4所示。加載正方形貼片后，天線E面方向圖的前向增益在兩個頻率上都有提高，在11.34 GHz提高了2.5 dB，并且加載正方形貼片使天線旁瓣寬度減小，主瓣對后瓣的抑制能力隨著頻率的升高而增強;但在10.78 GHz時天線在-90°時方向圖發生畸變，主要是由于貼片陣列和正六邊形距離過近，導致相互之間出現了耦合抑制的情況，產生了畸變的輻射方向圖;在H面天線的前向增益都有提高，但是加載正方形貼片后，對天線的束波能力影響較小，天線的主瓣寬度保持大致相同，后瓣寬度明顯減小。這表明加載正方形貼片陣列對后瓣抑制能力增強，主要是因為增加正方形貼片陣列可使天線在較寬的頻段范圍內實現諧振帶交叉，主瓣輻射角度增大，使得天線在提高增益的同時又能對天線的旁瓣及后瓣有很好的抑制作用。

正六邊形環形天線周圍刻蝕正方形陣列后，天線的增益變化曲線如圖5b）所示，天線增益在加載正方形貼片陣列后發生了向更高頻段平移的趨勢，平均增益都得到提高，大約為2 dBi，天線在8.5～16 GHz頻帶范圍內的增益都>1 dBi，最大可達到7.48 dBi。如圖5a）所示為加載陣列后的天線阻抗匹配曲線，在天線的工作頻段，天線的阻抗實部趨于50 Ω，虛部趨于0，在低頻段阻抗不匹配，說明了圖5b）天線增益突變的原因。

2 ?測試與分析

為了進一步驗證環形天線加載正方形陣列后的仿真結果，天線加工實物圖如圖6a）所示。通過網絡矢量分析儀測試加載寄生陣列天線的電學特性和在微波暗室中測試方向圖。圖6b）是天線仿真和測試后[S11]結果，圖6c）是11.78 GHz時E面方向圖測試結果。仿真結果和測試結果基本相同，仿真的回波損耗明顯比測試的值小，主要是因為安捷倫矢量網絡分析儀求解精度較低，對于高頻段的諧振頻率求解不能達到仿真時的求解收斂值，寬頻帶天線主要考慮天線的帶寬寬度，雖然有測試誤差，但不妨礙天線在該頻段內的使用。歸一化增益方向圖仿真和測試結果旁瓣電平都低于-20 dB，表明天線對旁瓣的抑制效果較好。

3 ?結 ?論

本文設計了一種超寬帶天線，通過加載2×2耦合正方形貼片陣列實現了環形天線寬頻帶、束波的特性。通過加載寄生正方形陣列可提升工作頻段2 dBi的天線增益，增加多個諧振峰，使相對帶寬拓展到32.8%，在拓展帶寬的同時改善了天線在一定范圍的損耗，進而提高了天線的工作效率。由于正方形陣列分布在環形結構周圍，使得天線前向輻射范圍增大，在輻射方向上對后向散射紋波形成抑制，使前向增益得到提高，實現了天線良好的輻射特性。該天線由于有低剖面、寬頻帶、多諧振，可用于共形、陣列天線領域。

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