頂部抑制和水平面全向輻射的平面背腔天線

1 引言

在一些需要搜索和定位地面和近地目標(biāo)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，比如用于邊境探測識別的探地雷達(dá)系統(tǒng) (Ground Penetrating Radar System)、車載防碰撞系統(tǒng)(Vehicle Anti-Collision System)等，要求天線在與地面成一定角度的范圍內(nèi)輻射較強(qiáng)。而天線頂部不在探測服務(wù)區(qū)，這些區(qū)域的輻射造成能源的浪費(fèi)，外來信號也對系統(tǒng)造成干擾，需要抑制。在這些系統(tǒng)中的天線應(yīng)該具有頂部抑制和水平面全向輻射的特性。同時(shí)，從安全和隱身的角度出發(fā)，還要求這些天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為共形化、平面化。

常規(guī)的平面微帶天線一方面難以實(shí)現(xiàn)超寬帶，另一方面它的最大輻射方向在天線的頂端，即垂直與輻射單元表面，一般為標(biāo)準(zhǔn)的8字形輻射方向圖，明顯不適合應(yīng)用于這些領(lǐng)域。雙錐天線或單錐天線被廣泛應(yīng)用與探地雷達(dá)等相關(guān)領(lǐng)域，但是這種類型天線的輻射特性，要求它必須暴露于地面才能保證有效地探測和識別周邊物體。說明它的隱身性能較差。

本文提出一種可工作于2.8—4.5GHz超寬帶平面背腔天線。根據(jù)背腔中多模式混合可以展寬天線帶寬的原理，天線由50歐姆同軸線外導(dǎo)體與矩形背腔相連進(jìn)行饋電。十字交叉的微帶貼片可以起到抑制頂部輻射和增強(qiáng)水平方向輻射的作用。利用三維全波有限元仿真軟件Ansoft HFSS對該天線進(jìn)行建模和仿真。根據(jù)其強(qiáng)大的參數(shù)優(yōu)化功能，對同軸線內(nèi)導(dǎo)體在腔內(nèi)的長度、十字交叉貼片的長度、十字交叉貼片的寬度以及腔體的大小進(jìn)行整體優(yōu)化。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)天線工作于2.8—4.5GHz，天線的-10dB（VSWR2）阻抗帶寬為48%，頂點(diǎn)增益小于-25dB，最大增益出現(xiàn)在與水平面成45—55度之間的地方，水平方向的增益則大于-0.5dB。并且具有良好的水平面全向輻射特性。

2 天線結(jié)構(gòu)

本文提出的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線底端采用50歐姆的同軸線對天線進(jìn)行饋電，即同軸線內(nèi)外導(dǎo)體的直徑分別為3mm和10mm，同軸線內(nèi)外導(dǎo)體之間填充了介電常數(shù)為2.2的RT/Duraid 5880介質(zhì)。十字交叉結(jié)構(gòu)的微帶片與傳統(tǒng)的矩形片相比：除了起到抑制頂部輻射的作用外，還由于十字片之間的電磁耦合，增強(qiáng)了水平方向的電磁輻射。為了參數(shù)優(yōu)化的方便，我們在模型中將十字交叉結(jié)構(gòu)的微帶片長和寬分別為設(shè)置為L₁和L₂，同軸線內(nèi)導(dǎo)體距離微帶片的垂直距離g。

根據(jù)腔體本征模式的理論，可以計(jì)算出3.5GHz范圍內(nèi)，該長方體背腔的長寬高可分別設(shè)置為70mm, 70mm和18mm。

圖1 天線三維模型圖

3 性能分析

在全波三維有限元軟件中建立如圖1所示的三維天線模型。這里我們使用Ansoft HFSS對其進(jìn)計(jì)算和性能分析，借助該軟件強(qiáng)大的參數(shù)優(yōu)化功能，可以獲得符合要求的幾何參數(shù)。比如當(dāng)只對單一參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，可以保持天線的其他參數(shù)不變，只研究該參數(shù)的變化對天線性能（如回波損耗）的影響，從而就可以確定該單一參數(shù)的最優(yōu)值。多參數(shù)的優(yōu)化，除可以使用上面的方法外，還可以由Ansoft HFSS集成的各種優(yōu)化算法對整體參量進(jìn)行優(yōu)化取值。

經(jīng)過Ansoft HFSS優(yōu)化處理得到天線的回波損耗隨頻率變化曲線如圖2所示。從圖中我們可以看出，該天線在2.8—4.5GHz頻段內(nèi)的回波損耗都小于-10dB。

圖2 天線回波損耗隨頻率的變化關(guān)系

為了研究天線在整個(gè)頻段上的輻射特性，我們給出天線在2.8GHz，3.6GHz，和4.5GHz的xoz面和yoz面以及xoy面的方向圖，如圖3所示。

（a）2.8GHz 的xoz面（實(shí)線）和yoz面（虛線）的方向圖

（b）3.6GHz 的xoz面（實(shí)線）和yoz面（虛線）的方向圖

（c）4.5GHz 的xoz面（實(shí)線）和yoz面（虛線）的方向圖

（d）2.8GHz的xoy面方向圖

（e）3.6GHz的xoy面方向圖

（f）4.5GHz的xoy面方向圖

圖3 天線在三個(gè)頻點(diǎn)上xoz、yoz、xoy三個(gè)面上的方向圖

從圖3可以看出天線在高中低三個(gè)頻點(diǎn)上的頂點(diǎn)增益均小于-20dB。同時(shí)，在三個(gè)頻點(diǎn)上的最大增益也均出現(xiàn)在與水平面成45—55度之間的地方。天線水平方向，即在xoy面，三個(gè)頻點(diǎn)上的增益均大于-0.5dB。此外，從圖3（d—f）可以看出，該天線在水平方向的增益波動(dòng)在1dB以內(nèi)，表明具有良好的水平面全向輻射特性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型的寬帶平面背腔天線，由同軸線與腔體相連產(chǎn)生多種模式實(shí)現(xiàn)寬帶的阻抗匹配，表面中心的十字交叉微帶片通過電磁耦合用來抑制頂部輻射和增強(qiáng)水平方向的輻射。該天線結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、同時(shí)具有全向輻射特性，可以廣泛應(yīng)用與如探地雷達(dá)和汽車防撞等無線傳感網(wǎng)絡(luò)中。