基于多種饋電方式的毫米波微帶天線對比研究*

譚宗胤，李平輝

（陸軍工程大學，江蘇 南京 210007）

0 引言

近年來，隨著各類智能終端設備的普及，高速率數據傳輸和寬頻帶通信的需求與日俱增。面對低頻段頻譜資源稀缺問題，毫米波憑借其帶寬資源豐富、兼具微波與遠紅外波特性等優點，得到了人們的廣泛關注。該頻段大量未開發的頻譜資源將極大地滿足第5 代移動通信的需求。此外，作為無線通信的重要組成部分，天線的性能將直接影響通信的整體質量。基于它成本低、加工方便且易于集成等優點，微帶天線備受青睞[1-2]。

微帶天線有3 種常用的饋電方式[3-4]：微帶線饋電、同軸饋電和耦合饋電。不同饋電方式的選取對微帶天線的性能將產生不同的影響。針對不同饋電方式造成的性能差異，本文以毫米波微帶貼片天線為研究對象，對比分析了嵌入饋線饋電[5-6]、同軸饋電、耦合饋電[7-11]以及探針耦合饋電4 種饋電方式對天線各項性能的影響。

1 矩形微帶貼片天線模型結構

根據矩形微帶天線設計公式[5]，確定工作在28 GHz 的矩形微帶貼片天線的貼片尺寸為寬W=4.24 mm、長L=3.47 mm。該微帶天線的襯底材料為Rogers RT/duroid 5880，介電常數εr=2.2，損耗正切tanδ=0.000 9，襯底尺寸為W0×L0＝15 mm×15 mm，襯底厚度為0.254 mm。嵌入饋線饋電和同軸饋電天線采用單層襯底，耦合饋電、探針耦合饋電天線貼片印制在每層厚度相同的雙層襯底上。

1.1 嵌入饋線饋電方式

圖1 給出了嵌入饋線饋電微帶貼片天線的結構。該天線直接利用與貼片位于同一平面上的微帶線進行饋電，微帶饋線寬度Wf為0.73 mm，饋線與貼片相接處嵌入貼片內部，與貼片邊緣距離為Y0，具體尺寸如表1 所示。

圖1 嵌入饋線饋電微帶貼片天線俯視圖

表1 嵌入饋線饋電微帶貼片天線優化結構尺寸

1.2 同軸饋電方式

該天線采用傳統的同軸饋電方式，圖2 給出了其結構示意圖，Wf為饋電點與貼片上邊緣的距離，具體尺寸見表2。

圖2 同軸饋電微帶貼片天線俯視圖

表2 同軸饋電微帶貼片天線優化結構尺寸

1.3 耦合饋電方式

采用微帶耦合饋電的天線結構如圖3 所示，采用雙層襯底且兩層厚度相同，均為0.254 mm。矩形貼片位于上層基板上方，微帶饋線位于上層襯底和下層襯底之間，地板位于下層襯底下方。為了實現阻抗匹配，在微帶饋線上插入了一個小矩形調諧結構。微帶饋線與貼片和地板均不接觸。耦合饋電微帶貼片天線優化結構尺寸如表3 所示。

圖3 耦合饋電微帶貼片天線

表3 耦合饋電微帶貼片天線優化結構尺寸

1.4 探針耦合饋電方式

圖4 展示了采用探針耦合饋電的微帶貼片天線的結構示意圖。該天線在上述采用耦合饋電方式的基礎上，在微帶饋線末端插入金屬探針，與貼片接觸。探針耦合饋電微帶貼片天線優化結構尺寸，如表4 所示。

圖4 探針耦合饋電微帶貼片天線

表4 探針耦合饋電微帶貼片天線優化結構尺寸

2 仿真結果對比

對于初始同尺寸的微帶貼片天線，當采用嵌入饋線饋電、同軸饋電、耦合饋電以及探針耦合饋電方式時，其諧振頻率分別為28 GHz、30.4 GHz、26.31 GHz 以及28.8 GHz，如圖5 所示。使用HFSS 進行仿真，優化天線尺寸，調整諧振頻率為28 GHz。天線輸入阻抗主要受饋線嵌入貼片的長度Y0和貼片寬度W影響。隨著Y0增大，諧振頻率減小，如圖6 所示；圖7～圖9 顯示隨著W增大，諧振頻率減小。

圖5 貼片初始尺寸S11 對比

圖6 嵌入饋線饋電天線諧振頻率隨Y0 變化

圖7 同軸饋電天線諧振頻率隨W 變化

圖8 耦合饋電天線諧振頻率隨W 變化

圖9 探針耦合饋電天線諧振頻率隨W 變化圖

2.1 反射系數（S11）

經過結構尺寸優化，當諧振頻率為28 GHz 時，嵌入饋線饋電天線中Y0=1.24 mm，S11值為-25.05 dB，-10 dB 阻抗帶寬為600 MHz，從27.72 GHz到28.32 GHz；同軸饋電天線W=2.95 mm、L=4 mm，S11值為-11.79 dB，-10 dB阻抗帶寬27.8～28.25 GHz，絕對帶寬450 MHz；耦合饋電微帶貼片天線W=7.068 mm，S11值為-39.98 dB，-10 dB 阻抗帶寬為1.42 GHz，從27.25 GHz 到28.67 GHz；探針耦合饋電微帶貼片天線W=5 mm，S11值為-16.47 dB，-10 dB 阻抗帶寬27.27～28.79 GHz，絕對帶寬1.52 GHz，如圖10 所示。

圖10 4 種饋電方式S11 對比

2.2 輻射方向圖

天線在28 GHz 處的E 面方向圖和H 面方向圖對比如圖11 和圖12 所示。分別采用嵌入饋線饋電、同軸饋電、耦合饋電以及探針耦合饋電方式的天線方向圖增益分別為8.68 dBi、8.17 dBi、7.56 dBi、8.39 dBi。可見，4種饋電方式的方向圖增益相差不大。圖13 和圖14 顯示了交叉極化方向圖對比，采用4 種饋電方式的E 面最大交叉極化電平均小于-40 dB，H 面最大交叉極化電平均小于-27 dB，其中耦合饋電方式由于雙層介質邊緣效應以及微帶饋線與輻射貼片之間存在的寄生耦合，導致交叉極化水平較高。

綜上所述，表5 總結了4 種饋電方式對天線各項性能的影響對比。

圖11 E 面方向圖對比

圖12 H 面方向圖對比

圖13 E 面交叉極化方向圖對比

圖14 H 面交叉極化方向圖對比

表5 仿真結果對比

3 結語

本文對比研究了采用嵌入饋線饋電、同軸饋電、耦合饋電和探針耦合饋電4 種饋電方式對微帶貼片天線性能的影響。采用嵌入饋線饋電和同軸饋電天線帶寬較窄，采用耦合饋電和探針耦合饋電方式天線帶寬較寬，但增益與其他兩種方式差距不大。通過對比，采用嵌入饋線饋電和耦合饋電微帶貼片天線綜合性能更好。為了更好地應用于通信系統，采用嵌入饋線饋電的貼片天線阻抗帶寬有待進一步提高，采用耦合饋電的貼片天線增益有待進一步提高。此外，設計優化各種饋電網絡以實現天線高性能的方法還有待進一步研究。