帶短路匹配枝節(jié)的微帶全向天線設(shè)計與分析

摘要：提出微帶全向天線天線，結(jié)合微帶漸變結(jié)構(gòu)和λg／4短路匹配枝節(jié)結(jié)構(gòu)，從而改善了天線的阻抗匹配，降低了天線的電壓駐波比，提高了天線的增益。天線實(shí)物采用7節(jié)微帶單元級聯(lián)，在2 400～2 483．5 MHz的頻帶范圍內(nèi)實(shí)測VSWR1．35，天線實(shí)測平均增益為9 dBi。采用更多的微帶單元級聯(lián)，可提高天線增益，適用于移動通信基站。
關(guān)鍵詞：微帶全向天線；微帶漸變結(jié)構(gòu)；λg／4短路匹配枝節(jié)

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。

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

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)計成梯形結(jié)構(gòu)，并在每個微帶單元導(dǎo)帶的中間加載一個矩形貼片，用于對天線進(jìn)行調(diào)諧，此時的天線結(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。