寬帶毫米波微帶天線的設計與分析*

劉 傲，李迎松

（1.北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191；2.哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

天線是一種變換器，能將傳輸線上傳導的導行波變換為在無界介質中傳導的電磁波或進行反向變換。天線在無線電設施中用來作為發射或接收電磁波的構件[1]，在無線通信、廣播、電視、雷達、導航和微波遙測與遙感器等工程中得到了廣泛應用[2]。隨著現代無線通信系統的不斷發展，無線通信可利用的低端頻率逐漸減少，一定程度上已無法滿足人們對于現代無線通信日益增多的使用需求。相較于其他波段的天線，毫米波天線憑借具有帶寬較寬、探測能力較強、傳輸質量較高等優點，在現代無線通信系統中得到了日漸廣泛的應用。

微帶天線作為一種天線形式，由于具備重量輕、體積小、剖面薄等特點，在無線電通信、雷達、導航等工程系統中得到了廣泛應用。然而，微帶天線的帶寬通常較窄，在毫米波段尤為明顯，一定程度上限制了毫米波微帶天線的應用。為了使毫米波微帶天線能夠在現代無線通信系統中獲得更多的應用，需要拓寬傳統毫米波微帶天線的頻帶。國內學者許唐紅等[3]提出了一種新型Alford 環天線，在4個偶極子Alford 環單頻天線的基礎上，增加內部耦合環結構，使天線具有較好的水平極化全向輻射性能，在MIMO 系統中做極化分集天線單元，得到了較為廣泛的應用。國外學者Ahmed 等[4]提出了一種適用于5G 無線通信的三頻段緊湊型高增益微帶貼片天線。天線選用相對介電常數為2.2 的Rogers RT5880 作為基板，工作頻率設計在國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）為5G 移動通信分配的10 GHz、28 GHz 和38 GHz 三個頻率上。在微帶天線的輻射貼片上，蝕刻一對T 型縫隙，減小了5G 無線通信系統與帶內系統的干擾。設計的天線符合5G 通信所需的相應技術指標要求。

本文首先介紹微帶天線的設計技術要求，其次分析影響微帶天線帶寬的因素，在矩形毫米波微帶天線設計與分析的基礎上，分別設計出C 型和W型兩種寬帶毫米波開槽微帶天線，最后利用仿真軟件對3 種天線的輸入回波損耗、駐波系數、相對帶寬和方向性等性能參數進行仿真優化和比較分析。仿真結果顯示，矩形毫米波微帶天線的相對帶寬為12.42%，C 型和W 型寬帶毫米波開槽微帶天線的相對帶寬分別達到了20.73%和21.89%，較矩形毫米波微帶天線的相對帶寬大幅提高。此外，C 型和W型兩種寬帶毫米波開槽微帶天線的E 面和H 面的半功率波束寬度分別為62.8°、48.0°和63.5°、48.0°，具有良好的定向輻射特性。

1 寬帶毫米波微帶天線的設計

微帶天線是在貼有金屬接地板的介質基片的基礎上貼加面單元結構的金屬輻射貼片而制成的天線。微帶天線的性能可從輸入回波損耗、駐波系數、相對帶寬、方向圖與波瓣寬度、方向性系數、反射效率和增益等方面進行分析。

天線的方向圖表征空間坐標的天線輻射的電場或功率的分布，反映天線在全部角度的輻射函數分布圖的圖樣。實際應用中，常用功率方向圖描繪天線的輻射特性，并且將方向圖投影到兩個相互垂直的正交的E 平面和H 平面上。E 面是電場方向和傳播方向組成的平面，H 面是磁場方向和傳播方向組成的平面。

波瓣寬度是描繪方向圖的常用參數。工程中將3 dB 波瓣寬度稱作天線方向圖的主瓣[5-7]。主瓣是最大輻射區域，主瓣之外的其他波瓣即余下輻射區域稱為旁瓣或副瓣。如果天線主瓣變小，則天線輻射的能量更加匯聚，方向性更好。

天線的方向性系數是在同一點處最大方向上的功率密度與相同輻射功率的各向同性天線功率密度的比值[8]，反映了天線在某一相同方向上的輻射能量匯集的程度。方向圖形態與方向性系數關系密切。天線主瓣較寬，方向性系數較小；天線主瓣較窄，方向性系數較大。

本文微帶天線的設計技術要求具有良好的定向輻射特性，輸入回波損耗小于-10 dB，駐波系數小于2。矩形毫米波微帶天線的相對帶寬要求大于10%，C 型和W 型寬帶毫米波開槽微帶天線的相對帶寬要求大于20%，增益要求大于10 dB。微帶天線的輻射貼片采用矩形結構，饋電方式采用同軸線饋電，同軸線饋電使用同軸線直接激勵輻射貼片，饋電點在輻射貼片范圍內進行選取，且同軸線處于接地板之上和貼片之下，有效避免饋線對天線輻射的影響。微帶天線同軸線饋電結構如圖1 所示。

圖1 微帶天線同軸線饋電結構

寬帶毫米波微帶天線的設計如圖2 所示。先對矩形毫米波微帶天線進行設計，利用仿真軟件對設計天線的特性參數如輸入回波損耗、駐波系數、相對帶寬和方向性進行仿真優化分析，比較天線尺寸對相對帶寬的影響，并結合遠場方向圖的E 面和H面對天線的方向性進行重點分析。

C 型和W 型寬帶毫米波開槽微帶天線是在矩形毫米波微帶天線的基礎上對貼片開C 型槽和W 型槽，并利用仿真軟件分析開槽深度和開槽寬度對天線主要特性參數的影響，結合遠場方向圖的E 面和H 面的相關參數分析天線的定向特性，最后對設計的矩形毫米波微帶天線和C 型、W 型共3 種寬帶毫米波開槽微帶天線的主要性能進行比較分析。

2 矩形微帶天線帶寬的影響因素

采用同軸線饋電方式的矩形微帶單層貼片天線的相對帶寬為：

式中：ρ是微帶天線的駐波比，λ0是自由空間波長，εr是介質基板的相對介電常數，d是介質基板厚度，tanδ為介質損耗角正切，σc是導體的電導率，Nr是矩形貼片微帶天線的等效輻射電導與貼片尺寸的比值，即：

式中：Gr是矩形貼片微帶天線的等效輻射電導，a和b分別為貼片的寬和長。

由式（1）和式（2）可知：

（1）當寬長比a與b的比值增加時，帶寬BW增加；

（2）當天線介質基板的相對介電常數εr增大時，帶寬BW減小；

（3）當天線介質基板的厚度d變大時，帶寬BW增加。

所以，影響微帶天線相對帶寬的因素如表1所示。

表1 影響相對帶寬的因素

3 矩形毫米波微帶天線的設計

矩形毫米波微帶天線的設計采用同軸線饋電方式，天線的貼片長和寬分別為b和a，介質基板的長、寬和厚度分別為b0、a0和d，貼片結構如圖3 所示。

圖3 矩形毫米波微帶天線貼片結構

矩形毫米波微帶天線工作于TM01模，貼片長度b近似等于介質波長λg的一半，且：

εe為有效介電常數，天線矩形貼片的長度b與相對介電常數有關。介質基板厚度除了影響天線的重量和體積之外，對天線的工作帶寬也有較大影響。當介質基板厚度d＜λ0/16，駐波系數小于2 時的帶寬經驗公式為[9-11]：

式中：f是諧振頻率，帶寬的單位為兆赫茲（MHz）。

適當增加介質基板厚度能夠有效增大天線的帶寬，但是基板厚度在一定程度上也會影響天線的效率和天線的方向圖特性[12-13]。這些因素相互制約，在確定介質基板的厚度時要考慮多方面的因素。

當介質基板的材料和厚度確定后，可以選取輻射貼片的尺寸。對于輻射貼片的寬度取值存在上限，上限值為：

式中：fr為天線諧振頻率，c為光速。

長度b近似等于介質波長的一半。在輻射貼片長度b的實際設計中，由于貼片長度方向兩端存在邊緣場效應，所以b的值在半波長的基礎上再減去2Δb，即：

式中λg是介質波長，其中：

介質基板的b0和a0的取值通常盡可能小，以減小天線體積、重量與成本：

根據上述設計方法，設計出諧振頻率為60 GHz的矩形毫米波微帶天線。介質基板材料選用聚苯乙烯，相對介電常數εr為1.03，天線采用阻抗為50 Ω 的同軸線饋電。當天線的饋電點位置坐標為（0.60，0.50）時，在諧振頻率fr=60 GHz 時，天線的輸入阻抗Zin=50 Ω，與同軸饋電線的阻抗相匹配，天線設計尺寸如表2 所示。

表2 矩形毫米波微帶天線設計尺寸/mm

通過仿真與測量計算實驗，矩形天線的輸入回波損耗、駐波系數與頻率的關系、天線的左/右諧振點E 面方向圖和H 面方向圖、天線的頻率與相對帶寬、天線的左/右諧振點E 面和H 面的方向圖參數分別如第6 部分的仿真實驗比較與分析中的有關圖表所示。貼片長度和寬度分別保持2.06 mm 和2.48 mm 定值，分別改變貼片寬度和長度值時，輸入回波損耗和駐波系數與長度和寬度的關系如圖4所示。貼片長度和寬度為2.06 mm 和2.48 mm，改變介質基板厚度時，輸入回波損耗和駐波系數與介質基板厚度的關系如圖5 所示。分別改變貼片寬度、長度和介質基板厚度時的頻率與相對帶寬，分別如表3、表4 和表5 所示。其中的最低頻率、最高頻率、相對帶寬均指右諧振點所在工作頻帶的參量，表中的“—”表示此種情況下天線只存在單個諧振點。

圖4 貼片寬度和長度變化與輸入回波損耗和駐波系數的關系

圖5 介質基板厚度與輸入回波損耗和駐波系數的關系

表3 改變貼片寬度時的頻率與相對帶寬

表4 改變貼片長度時的頻率與相對帶寬

表5 改變介質基板厚度時的頻率與相對帶寬

當貼片寬度或長度變化時，諧振點的位置發生變化，寬度增加，天線諧振頻率逐漸減小且右諧振點時的輸入回波損耗和駐波系數減小，天線的相對帶寬片增加；長度增加，天線諧振頻率減小且右諧振點時的輸入回波損耗和駐波系數增大，天線的相對帶寬減小。因此，貼片的寬長比增加時，天線的相對帶寬增大。

當介質基板厚度變化時，諧振點的位置隨之改變，厚度增加，天線諧振頻率減小，且右諧振點時的輸入回波損耗和駐波系數減小，天線的相對帶寬隨介質基板厚度的增加而增大。

4 C 型寬帶毫米波開槽微帶天線的設計

C 型寬帶毫米波開槽微帶天線是在矩形毫米波微帶天線的基礎上對貼片開C 型槽。在貼片上開槽[14]，實質上是槽邊緣電流引入了附加諧振。開槽增加容抗，減弱探針的感抗，增大了矩形毫米波微帶天線的頻帶。C 型寬帶毫米波開槽微帶天線貼片結構如圖6 所示。

槽深Ca和槽寬Cb變化時，諧振點的位置發生變化。當貼片開槽深度和開槽寬度逐漸增加時，天線由單頻點變為雙頻點且天線頻帶寬度逐漸增大，右諧振點處的輸入回波損耗逐漸變小；開槽深度使兩個諧振點均逐漸向左移動，開槽寬度使天線諧振頻率先逐漸降低而后逐漸增加。隨著開槽深度或槽寬繼續增加時，兩個諧振點之間的部分帶寬已不再滿足輸入回波損耗小于-10 dB、駐波系數小于2 的條件。槽深Ca和槽寬Cb與輸入回波損耗和駐波系數的關系如圖7 所示。

圖6 C 型寬帶毫米波開槽微帶天線貼片結構

圖7 槽深Ca 和槽寬Cb 與輸入回波損耗和駐波系數的關系

綜合以上因素，選取開槽深度Ca為0.48 mm，開槽寬度Cb為0.68 mm。當天線的饋電點位置坐標為（0.61，0.49）時，諧振頻率fr=60 GHz 時，天線的輸入阻抗Zin=50 Ω，與同軸饋電線的阻抗相匹配。C型寬帶毫米波開槽微帶天線的設計尺寸如表6 所示。

表6 C 型寬帶毫米波開槽微帶天線設計尺寸/mm

根據表6 的設計尺寸和饋電點的坐標（0.61，0.49）進行仿真與測量計算實驗，C 型天線的輸入回波損耗、駐波系數與頻率的關系、天線的左/右諧振點E 面方向圖和H 面方向圖、天線的頻率與相對帶寬、天線的左/右諧振點E 面和H 面的方向圖參數分別如第6 部分仿真實驗比較與分析中的有關圖表所示。

5 W 型寬帶毫米波開槽微帶天線的研究與設計

W 型寬帶毫米波開槽微帶天線是在矩形毫米波微帶天線的基礎上對貼片開W 型槽，貼片結構如圖8 所示。

槽深Wa和槽寬Wb變化時，諧振點的位置發生變化。當貼片開槽深度或開槽寬度逐漸增加時，天線由單頻點變為雙頻點，且天線頻帶寬度逐漸增大，開槽深度使兩個諧振點均逐漸向左移動，開槽寬度使右諧振點逐漸向右移動。開槽深度或開槽寬度逐漸增加到一定程度再繼續增加時，天線的頻帶寬度逐漸減小，右諧振點處的輸入回波損耗逐漸變小，兩個諧振點之間的部分帶寬不再滿足輸入回波損耗小于-10 dB、駐波系數小于2 的條件，天線的匹配特性變差。Wa和槽寬Wb與輸入回波損耗和駐波系數的關系如圖9 所示。

圖8 W 型寬帶毫米波開槽微帶天線貼片結構

圖9 槽深Wa 和槽寬Wb 與輸入回波損耗和駐波系數的關系

綜合上述因素，選取開槽深度Wa為0.58 mm，開槽寬度Wb為0.50 mm。當天線的饋電點位置坐標為（0.61，0.49）時，諧振頻率fr=60 GHz 時，天線輸入阻抗Zin=50 Ω，與同軸饋電線的阻抗相匹配。W型寬帶毫米波開槽微帶天線設計尺寸如表7所示。

表7 W 型寬帶毫米波開槽微帶天線設計尺寸/mm

根據表7 的設計尺寸和饋電點的坐標（0.61，0.49）進行仿真與測量計算實驗，W 型天線天線的輸入回波損耗、駐波系數與頻率的關系、天線的左/右諧振點E 面方向圖和H 面方向圖、天線的頻率與相對帶寬、天線的左/右諧振點E 面和H 面的方向圖參數分別如第6 部分的仿真實驗比較與分析中的有關圖表所示。

6 仿真實驗比較與分析

矩形毫米波微帶天線和在它基礎上開槽而成的C 型和W 型寬帶毫米波開槽微帶天線采用相同的介質基板材料和輻射貼片材料。饋電方式采用同軸線饋電。為了驗證天線的性能，采用3 維電磁仿真軟件CST 對所設計的3 種毫米波天線的輸入回波損耗、駐波系數、相對帶寬、方向性等性能參數進行仿真比較與分析。3 種天線的輸入回波損耗和駐波系數曲線、天線的左/右諧振點E 面方向圖和H 面方向圖分別如圖10～圖12 所示。

圖10 天線的輸入回波損耗和駐波系數曲線

圖11 天線的左諧振點E 面方向圖和H 面方向圖

圖12 天線的右諧振點E 面方向圖和H 面方向圖

3 種天線的頻率與相對帶寬、左/右諧振點E面和H 面的方向圖參數分別如表8～表12 所示。

仿真實驗結果表明：

（1）矩形毫米波微帶天線、C 型寬帶毫米波開槽微帶天線和W 型寬帶毫米波開槽微帶天線滿足輸入回波損耗小于-10 dB、駐波系數小于2 的相對帶寬分別為12.42%、20.73%、21.89%，三者帶寬均大于且后兩者明顯大于設計所需的高于10%的技術指標要求。C 型寬帶毫米波開槽微帶天線和W型寬帶毫米波開槽微帶天線的相對帶寬分別是矩形毫米波微帶天線的1.67 倍和1.76 倍，相對帶寬得到較大幅度的提高，W 型寬帶毫米波開槽微帶天線的帶寬比C 型寬帶毫米波開槽微帶天線稍高。

表8 天線的頻率與相對帶寬

表9 天線的左諧振點E 面的方向圖參數

表11 天線的右諧振點E 面的方向圖參數

表12 天線的右諧振點H 面的方向圖參數

（2）在左諧振點和右側60 GHz 諧振點處，W 型寬帶毫米波開槽微帶天線的輸入回波損耗分別為-23.62 dB、-29.74 dB，C 型寬帶毫米波開槽微帶天線的輸入回波損耗分別為-21.09 dB、-19.82 dB，表明W 型寬帶毫米波開槽微帶天線的反射效率強于C 型寬帶毫米波開槽微帶天線的反射效率。

（3）3 種毫米波天線的增益較為接近且均大于10 dB，表明3 種天線均具有一定的高增益特性。

（4）在方向性方面，C 型寬帶毫米波開槽微帶天線和W 型寬帶毫米波開槽微帶天線在左諧振點處的E 面和H 面的半功率波束寬度分別為55.9°、63.4°和55.9°、66.0°，在60 GHz 諧振點處的E面和H 面的半功率波束寬度分別為62.8°、48.0°和63.5°、48.0°。兩型寬帶毫米波開槽微帶天線的主瓣遠大于旁瓣，天線能量主要集中于主瓣上，具備良好的定向輻射特性。

7 結語

本文通過在矩形毫米波微帶天線設計與分析的基礎上，設計出C 型和W 型兩種寬帶毫米波開槽微帶天線，并利用仿真軟件對3 種天線的性能進行仿真優化和比較分析。實驗結果表明，設計的微帶天線具有良好的相對帶寬和定向輻射特性，滿足設計技術要求，拓寬了微帶天線在工程系統中的應用范圍。