一種高性能的微帶全向天線設(shè)計(jì)與分析

在移動通信領(lǐng)域中，全向高增益天線有著廣泛的應(yīng)用。微帶交叉陣子天線作為一種全向高增益天線，以其結(jié)構(gòu)簡單，匹配容易，便于批量生產(chǎn)以及造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)受到重視。一般的微帶交叉陣子天線如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)在仿真和實(shí)測中，方向圖畸變比較嚴(yán)重，天線的電壓駐波比也比較差。文獻(xiàn)給出了一種改進(jìn)的方案，將微帶天線的地面做成梯形結(jié)構(gòu)，如圖2所示。這在一定程度上改善了天線性能。文中給出了該結(jié)構(gòu)天線的仿真和實(shí)物測試結(jié)果，以便與本文提出的微帶全向天線作比較。文中所提出的微帶全向天線如圖3所示。該天線除了采用微帶漸變結(jié)構(gòu)和電感匹配器外，還在天線的頂端加載了λg／4短路匹配枝節(jié)。仿真和測試表明，該天線同文獻(xiàn)中提出的天線相比較，具有更好的電壓駐波比和更高的增益，是一種高性能的微帶全向天線。

圖1 微帶交叉陣子天線示意圖

　　1 微帶交叉陣子天線的基本原理

　　微帶交叉陣子天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。將每段微帶傳輸線的地面看成同軸線的外導(dǎo)體，導(dǎo)帶看作同軸線的內(nèi)導(dǎo)體，其與傳統(tǒng)的COCO天線具有相似的結(jié)構(gòu)。同樣，微帶交叉陣子天線也是由多個(gè)λg／2的微帶單元級聯(lián)而成，天線的地面和導(dǎo)帶在介質(zhì)基片的兩側(cè)交替放置，從而利用交叉連接來實(shí)現(xiàn)倒相。由于交叉連接點(diǎn)的不連續(xù)性形成輻射，使得這種結(jié)構(gòu)存在兩種模式，即傳輸模和輻射模。對于傳輸模，由于波沿導(dǎo)帶和接地板的內(nèi)表面?zhèn)鬏?，而且微帶傳輸線是均勻的，所以在分析時(shí)不考慮空間的輻射。而輻射模，則是由于各接地板的交替處電壓源激勵(lì)起的輻射電流存在于接地板的內(nèi)外表面，從而形成輻射。同COCO天線一樣，微帶交叉陣子天線也是一個(gè)陣列天線。由陣列天線的基本理論可知，對于遠(yuǎn)場區(qū)，天線的歸一化方向性函數(shù)為

　　天線的增益為

　　其中，η為天線的輻射效率；D為天線的方向性系數(shù)。

　　2 微帶交叉陣子天線的設(shè)計(jì)與分析

　　基本的微帶交叉陣子天線如圖1所示，實(shí)驗(yàn)證明，該結(jié)構(gòu)天線的方向圖畸變比較嚴(yán)重，而且?guī)?nèi)電壓駐波比也不理想。為了改善天線的性能，將天線地板設(shè)計(jì)成梯形結(jié)構(gòu)，并在每個(gè)微帶單元導(dǎo)帶的中間加載一個(gè)矩形貼片，用于對天線進(jìn)行調(diào)諧，此時(shí)的天線結(jié)構(gòu)如圖2所示，這在一定程度上改善了天線的阻抗特性。加載的矩形貼片相當(dāng)于1個(gè)電感器。假設(shè)該電感器的長為l，寬為w，那么其等效電路的電感L如式（3）所示。

　　其中，h為介質(zhì)板厚度；t是導(dǎo)體的厚度；Kg為校正因子，其經(jīng)驗(yàn)公式為

　　從式（3）可以看出，在介質(zhì)板參數(shù)確定的情況下，矩形貼片的電感值主要由其寬度w來決定。

圖2 頂端未加載天線示意圖