加载寄生正方形阵列的超宽带闭环天线
徐洪成 张斌珍 段俊萍 崔建利
关键词： 正方形阵列; 寄生耦合; 多谐振; 超宽带; 闭环天线; 辐射特性
中图分类号： TN823+.15?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献標识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 1004?373X（2019）03?0014?04
Abstract： An ultra wide band （UWB） closed?loop antenna loaded with square array was designed and fabricated on the basis of the design thought of slot antenna and array antenna. The regular hexagonal ring structure is taken as the center of UWB antenna， and a 2×2 square array is etched around the structure. The simulation analysis results show that， by means of the ring structure loaded with the parasitic coupling square array， multiple resonance peaks can be formed in the entire frequency band from 8.5 GHz to 16 GHz， the maximum gain can reach up to 7.48 dBi， the relative bandwidth can reach up to 32.8% （10.63～14.84 GHz）， and the bandwidth is relatively increased by about 310%， so that the broadband and high?efficiency performances of the antenna are realized， and the forward gain of the antenna is increased by 2.5 dBi. In addition， the antenna can strongly suppress the back scattering ripple in the radiation direction， and realize perfect radiation characteristics in the antenna radiation field. The research results show that the test results and simulation results are basically the same.
Keywords： square array; parasitic coupling; multi?resonance; UWB; closed?loop antenna; radiation characteristic0 ?引 ?言
随着无线通信和雷达技术的发展，由于频谱利用率越来越受到限制，因此宽频带天线[1?5]受到广泛关注。目前，展宽带宽的方法有采用加载集总和分布式元件[6]、多层介质结构之间的通孔互耦[7]、采用[14]波长微带线谐振器进行耦合[8]及在天线上加载新型超材料[9?12]，这几类展宽天线带宽的技术已经得到广泛应用，但是耦合效应对带宽的研究较少。附加寄生耦合阵列技术可以保证原有的天线结构，方便可共形天线的制作，且结构简单、剖面低，可广泛应用于机载、弹载天线的设计。
在天线基板上加载寄生贴片阵列，实现环形结构和贴片之间的寄生耦合，可改善环形结构和贴片之间的耦合效应，抑制天线辐射时的表面波。由于阵列和辐射贴片之间距离的位置匹配了多种工作波长长度，进而使天线可以形成宽阻抗匹配能力。本文研究了寄生贴片对高频段带宽的作用，设计出一种加载正方形阵列的环形天线。利用在介质基板上刻蚀的正六边环形结构，通过加载寄生正方形阵列使其工作在需要被抑制的频带，寄生阵列在陷波频带内电流方向与贴片表面电流相反，从而展宽了天线带宽。另外，由于加载耦合贴片使得天线对后向散射的抑制能力增强，改善了天线的工作效率，提高了天线的增益，进而改善了天线的辐射性能。
1.2 ?天线的仿真分析
正六边形环形天线具有良好的旋转对称性，保证了任意极化方向的入射波都可产生谐振，内外正六边形边缘相互耦合在多个频点产生谐振，这些谐振点的带宽相互交叉从而拓宽了天线的带宽，而且环形结构在天线仿真优化时由于其只有内外半径是主要变量，大大降低了仿真优化的难度。
正六边形环行天线的辐射特性及阻抗匹配特性主要受内外边长的影响，通过改变参数[Sout，Sin]进行仿真，图2给出了不同内外边长天线反射损耗曲线。
由图2a）可以看出，天线的谐振频率随着外边长的增大而降低，符合天线谐振频率与天线尺寸成反比关系，天线在谐振频率处的回波损耗都小于-10 dB。当[Sout]为15 mm时，天线的-10 dB工作频段为11.6～13.8 GHz，相对带宽约为19.9%;[Sout]逐渐增大，天线的工作带宽减小，在谐振频率为13.3 GHz時，天线的回波损耗可达到-35.8 dB，表明在该设计尺寸下天线不仅具有超宽频段特性，且天线的阻抗匹配特性良好。在外边长[Sout]为16.5 mm时，改变内边长[Sin]进行仿真，如图2b）所示，天线的谐振频率随着内偏心距的增大而增大，[Sin]增大到9.6 mm时天线在10.7 GHz附近的谐振频率消失，相对9.3 mm时工作带宽增加了0.5 GHz。
通过上述仿真分析，天线的内、外边长都影响影响天线-10 dB的工作带宽，天线的带宽随着[Sout]增大逐渐变小，工作带宽内的谐振频率向高频段移动，谐振深度也逐渐加深，表明天线在该频段内阻抗匹配变好，并且工作带宽变宽;天线工作带宽随着环形结构的内边长增大逐渐变宽，但是回波损耗也在逐渐增大，表明内边长可以改善天线带宽，却抑制了天线的工作效率。通过仿真优化，得到正六边形环形天线最优设计参数变量如表1所示。
正方形贴片以正六边形环几何水平、垂直面为对称面分布在环形天线的周围，正方形贴片边长的尺寸为[S1]，两贴片水平耦合间距为[Lp=]36 mm，垂直耦合间距为[Wp=]30 mm。
通过改变[S1]参数来改变环形结构和寄生贴片之间的耦合距离，得到未加载和加载正方形贴片阵列时天线的回波损耗。如图2c）所示，在正方形贴片几何中心位置不变的前提下，加载正方形阵列后，天线的谐振频率增至为7个，天线的谐振频率向右移动，低频段处天线的回波损耗增大，高频段处谐振点增多，相对带宽变宽;[S1]为8.48 mm时，-10 dB阻抗带宽相对未加载阵列时提高了310%，相对带宽为32.8%。当[f=]10.78 GHz（第一个谐振频率），天线不同相位的电场强度如图3所示。闭环边缘辐射强度大，在不同相位下将电场耦合到不同的阵列单元上，使得较小尺寸的阵列单元可以在高频产生谐振，进而拓宽了天线的工作频段。由天线工作带宽增加的回波损耗大幅度降低，寄生正方形阵列工作在天线辐射被抑制的高频段，使天线在高频段阻抗匹配变好，天线体现超宽频带和低损耗的特性。
1.3 ?天线方向图分析
仿真分析天线在谐振频率为10.78 GHz和11.34 GHz的方向图，如图4所示。加载正方形贴片后，天线E面方向图的前向增益在两个频率上都有提高，在11.34 GHz提高了2.5 dB，并且加载正方形贴片使天线旁瓣宽度减小，主瓣对后瓣的抑制能力随着频率的升高而增强;但在10.78 GHz时天线在-90°时方向图发生畸变，主要是由于贴片阵列和正六边形距离过近，导致相互之间出现了耦合抑制的情况，产生了畸变的辐射方向图;在H面天线的前向增益都有提高，但是加载正方形贴片后，对天线的束波能力影响较小，天线的主瓣宽度保持大致相同，后瓣宽度明显减小。这表明加载正方形贴片阵列对后瓣抑制能力增强，主要是因为增加正方形贴片阵列可使天线在较宽的频段范围内实现谐振带交叉，主瓣辐射角度增大，使得天线在提高增益的同时又能对天线的旁瓣及后瓣有很好的抑制作用。
正六边形环形天线周围刻蚀正方形阵列后，天线的增益变化曲线如图5b）所示，天线增益在加载正方形贴片阵列后发生了向更高频段平移的趋势，平均增益都得到提高，大约为2 dBi，天线在8.5～16 GHz频带范围内的增益都>1 dBi，最大可达到7.48 dBi。如图5a）所示为加载阵列后的天线阻抗匹配曲线，在天线的工作频段，天线的阻抗实部趋于50 Ω，虚部趋于0，在低频段阻抗不匹配，说明了图5b）天线增益突变的原因。
2 ?测试与分析
为了进一步验证环形天线加载正方形阵列后的仿真结果，天线加工实物图如图6a）所示。通过网络矢量分析仪测试加载寄生阵列天线的电学特性和在微波暗室中测试方向图。图6b）是天线仿真和测试后[S11]结果，图6c）是11.78 GHz时E面方向图测试结果。仿真结果和测试结果基本相同，仿真的回波损耗明显比测试的值小，主要是因为安捷伦矢量网络分析仪求解精度较低，对于高频段的谐振频率求解不能达到仿真时的求解收敛值，宽频带天线主要考虑天线的带宽宽度，虽然有测试误差，但不妨碍天线在该频段内的使用。归一化增益方向图仿真和测试结果旁瓣电平都低于-20 dB，表明天线对旁瓣的抑制效果较好。3 ?结 ?论
本文设计了一种超宽带天线，通过加载2×2耦合正方形贴片阵列实现了环形天线宽频带、束波的特性。通过加载寄生正方形阵列可提升工作频段2 dBi的天线增益，增加多个谐振峰，使相对带宽拓展到32.8%，在拓展带宽的同时改善了天线在一定范围的损耗，进而提高了天线的工作效率。由于正方形阵列分布在环形结构周围，使得天线前向辐射范围增大，在辐射方向上对后向散射纹波形成抑制，使前向增益得到提高，实现了天线良好的辐射特性。该天线由于有低剖面、宽频带、多谐振，可用于共形、阵列天线领域。
参考文献
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[5] MIOZZI E， TESTA O， CICCHETTI R. Wideband and UWB antennas for wireless applications： a comprehensive review [J]. International journal of antennas and propagation， 2017（2）： 112?116.
[6] 杨顺.LTE多频段手机MIMO天线设计研究[D].成都：电子科技大学，2014.
YANG Shun. Research on multiband MIMO antenna design for LTE mobile phone application [D]. Chengdu： University of Electronic Science & Technology of China， 2014.
[7] 丁解，吴洁，李建新，等.一种多层结构宽带贴片天线的设计[J].现代雷达，2014，36（11）：54?57.
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[9] BALA B D， RAHIM M K A， MURAD N A， et al. Bandwidth enhanced microstrip patch antenna using meta materials [C]// 2012 IEEE Asia?Pacific Conference on Applied Electromagnetics. Melaka： IEEE， 2012： 280?282.
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[12] 何杨炯，张世全，李雪健.一种基于超材料的小型化宽带微带天线[J].微波学报，2016（3）：46?47.
HE Yangjiong， ZHANG Shiquan， LI Xuejian. Metamaterial?based miniaturized broadband microstrip antenna [J]. Journal of microwaves， 2016（3）： 46?47.
关键词： 正方形阵列; 寄生耦合; 多谐振; 超宽带; 闭环天线; 辐射特性
中图分类号： TN823+.15?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献標识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 1004?373X（2019）03?0014?04
Abstract： An ultra wide band （UWB） closed?loop antenna loaded with square array was designed and fabricated on the basis of the design thought of slot antenna and array antenna. The regular hexagonal ring structure is taken as the center of UWB antenna， and a 2×2 square array is etched around the structure. The simulation analysis results show that， by means of the ring structure loaded with the parasitic coupling square array， multiple resonance peaks can be formed in the entire frequency band from 8.5 GHz to 16 GHz， the maximum gain can reach up to 7.48 dBi， the relative bandwidth can reach up to 32.8% （10.63～14.84 GHz）， and the bandwidth is relatively increased by about 310%， so that the broadband and high?efficiency performances of the antenna are realized， and the forward gain of the antenna is increased by 2.5 dBi. In addition， the antenna can strongly suppress the back scattering ripple in the radiation direction， and realize perfect radiation characteristics in the antenna radiation field. The research results show that the test results and simulation results are basically the same.
Keywords： square array; parasitic coupling; multi?resonance; UWB; closed?loop antenna; radiation characteristic0 ?引 ?言
随着无线通信和雷达技术的发展，由于频谱利用率越来越受到限制，因此宽频带天线[1?5]受到广泛关注。目前，展宽带宽的方法有采用加载集总和分布式元件[6]、多层介质结构之间的通孔互耦[7]、采用[14]波长微带线谐振器进行耦合[8]及在天线上加载新型超材料[9?12]，这几类展宽天线带宽的技术已经得到广泛应用，但是耦合效应对带宽的研究较少。附加寄生耦合阵列技术可以保证原有的天线结构，方便可共形天线的制作，且结构简单、剖面低，可广泛应用于机载、弹载天线的设计。
在天线基板上加载寄生贴片阵列，实现环形结构和贴片之间的寄生耦合，可改善环形结构和贴片之间的耦合效应，抑制天线辐射时的表面波。由于阵列和辐射贴片之间距离的位置匹配了多种工作波长长度，进而使天线可以形成宽阻抗匹配能力。本文研究了寄生贴片对高频段带宽的作用，设计出一种加载正方形阵列的环形天线。利用在介质基板上刻蚀的正六边环形结构，通过加载寄生正方形阵列使其工作在需要被抑制的频带，寄生阵列在陷波频带内电流方向与贴片表面电流相反，从而展宽了天线带宽。另外，由于加载耦合贴片使得天线对后向散射的抑制能力增强，改善了天线的工作效率，提高了天线的增益，进而改善了天线的辐射性能。
1.2 ?天线的仿真分析正六边形环形天线具有良好的旋转对称性，保证了任意极化方向的入射波都可产生谐振，内外正六边形边缘相互耦合在多个频点产生谐振，这些谐振点的带宽相互交叉从而拓宽了天线的带宽，而且环形结构在天线仿真优化时由于其只有内外半径是主要变量，大大降低了仿真优化的难度。
正六边形环行天线的辐射特性及阻抗匹配特性主要受内外边长的影响，通过改变参数[Sout，Sin]进行仿真，图2给出了不同内外边长天线反射损耗曲线。
由图2a）可以看出，天线的谐振频率随着外边长的增大而降低，符合天线谐振频率与天线尺寸成反比关系，天线在谐振频率处的回波损耗都小于-10 dB。当[Sout]为15 mm时，天线的-10 dB工作频段为11.6～13.8 GHz，相对带宽约为19.9%;[Sout]逐渐增大，天线的工作带宽减小，在谐振频率为13.3 GHz時，天线的回波损耗可达到-35.8 dB，表明在该设计尺寸下天线不仅具有超宽频段特性，且天线的阻抗匹配特性良好。在外边长[Sout]为16.5 mm时，改变内边长[Sin]进行仿真，如图2b）所示，天线的谐振频率随着内偏心距的增大而增大，[Sin]增大到9.6 mm时天线在10.7 GHz附近的谐振频率消失，相对9.3 mm时工作带宽增加了0.5 GHz。通过上述仿真分析，天线的内、外边长都影响影响天线-10 dB的工作带宽，天线的带宽随着[Sout]增大逐渐变小，工作带宽内的谐振频率向高频段移动，谐振深度也逐渐加深，表明天线在该频段内阻抗匹配变好，并且工作带宽变宽;天线工作带宽随着环形结构的内边长增大逐渐变宽，但是回波损耗也在逐渐增大，表明内边长可以改善天线带宽，却抑制了天线的工作效率。通过仿真优化，得到正六边形环形天线最优设计参数变量如表1所示。
正方形贴片以正六边形环几何水平、垂直面为对称面分布在环形天线的周围，正方形贴片边长的尺寸为[S1]，两贴片水平耦合间距为[Lp=]36 mm，垂直耦合间距为[Wp=]30 mm。通过改变[S1]参数来改变环形结构和寄生贴片之间的耦合距离，得到未加载和加载正方形贴片阵列时天线的回波损耗。如图2c）所示，在正方形贴片几何中心位置不变的前提下，加载正方形阵列后，天线的谐振频率增至为7个，天线的谐振频率向右移动，低频段处天线的回波损耗增大，高频段处谐振点增多，相对带宽变宽;[S1]为8.48 mm时，-10 dB阻抗带宽相对未加载阵列时提高了310%，相对带宽为32.8%。当[f=]10.78 GHz（第一个谐振频率），天线不同相位的电场强度如图3所示。闭环边缘辐射强度大，在不同相位下将电场耦合到不同的阵列单元上，使得较小尺寸的阵列单元可以在高频产生谐振，进而拓宽了天线的工作频段。由天线工作带宽增加的回波损耗大幅度降低，寄生正方形阵列工作在天线辐射被抑制的高频段，使天线在高频段阻抗匹配变好，天线体现超宽频带和低损耗的特性。
1.3 ?天线方向图分析
仿真分析天线在谐振频率为10.78 GHz和11.34 GHz的方向图，如图4所示。加载正方形贴片后，天线E面方向图的前向增益在两个频率上都有提高，在11.34 GHz提高了2.5 dB，并且加载正方形贴片使天线旁瓣宽度减小，主瓣对后瓣的抑制能力随着频率的升高而增强;但在10.78 GHz时天线在-90°时方向图发生畸变，主要是由于贴片阵列和正六边形距离过近，导致相互之间出现了耦合抑制的情况，产生了畸变的辐射方向图;在H面天线的前向增益都有提高，但是加载正方形贴片后，对天线的束波能力影响较小，天线的主瓣宽度保持大致相同，后瓣宽度明显减小。这表明加载正方形贴片阵列对后瓣抑制能力增强，主要是因为增加正方形贴片阵列可使天线在较宽的频段范围内实现谐振带交叉，主瓣辐射角度增大，使得天线在提高增益的同时又能对天线的旁瓣及后瓣有很好的抑制作用。
正六边形环形天线周围刻蚀正方形阵列后，天线的增益变化曲线如图5b）所示，天线增益在加载正方形贴片阵列后发生了向更高频段平移的趋势，平均增益都得到提高，大约为2 dBi，天线在8.5～16 GHz频带范围内的增益都>1 dBi，最大可达到7.48 dBi。如图5a）所示为加载阵列后的天线阻抗匹配曲线，在天线的工作频段，天线的阻抗实部趋于50 Ω，虚部趋于0，在低频段阻抗不匹配，说明了图5b）天线增益突变的原因。2 ?测试与分析
为了进一步验证环形天线加载正方形阵列后的仿真结果，天线加工实物图如图6a）所示。通过网络矢量分析仪测试加载寄生阵列天线的电学特性和在微波暗室中测试方向图。图6b）是天线仿真和测试后[S11]结果，图6c）是11.78 GHz时E面方向图测试结果。仿真结果和测试结果基本相同，仿真的回波损耗明显比测试的值小，主要是因为安捷伦矢量网络分析仪求解精度较低，对于高频段的谐振频率求解不能达到仿真时的求解收敛值，宽频带天线主要考虑天线的带宽宽度，虽然有测试误差，但不妨碍天线在该频段内的使用。归一化增益方向图仿真和测试结果旁瓣电平都低于-20 dB，表明天线对旁瓣的抑制效果较好。3 ?结 ?论
本文设计了一种超宽带天线，通过加载2×2耦合正方形贴片阵列实现了环形天线宽频带、束波的特性。通过加载寄生正方形阵列可提升工作频段2 dBi的天线增益，增加多个谐振峰，使相对带宽拓展到32.8%，在拓展带宽的同时改善了天线在一定范围的损耗，进而提高了天线的工作效率。由于正方形阵列分布在环形结构周围，使得天线前向辐射范围增大，在辐射方向上对后向散射纹波形成抑制，使前向增益得到提高，实现了天线良好的辐射特性。该天线由于有低剖面、宽频带、多谐振，可用于共形、阵列天线领域。
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