張?jiān)脐?yáng) 曹文權(quán) 錢(qián)祖平

摘要 本文提出了一個(gè)基于TM50模的高增益方形貼片天線.在TM50諧振模式下，天線表面會(huì)有2段與輻射邊緣相反的電流，通過(guò)在天線表面開(kāi)槽，可使貼片表面的2段反相電流各自形成回路，從而很好地去除TM50模的4個(gè)旁瓣.與此同時(shí)，由于削弱了反相電流，開(kāi)槽后的天線是由3段同相電流疊加而成，這就等同于3個(gè)工作于TM10模的天線單元共同作用的效果.通過(guò)調(diào)節(jié)槽型縫隙，天線單元最大增益可達(dá)到13.3 dB.

關(guān)鍵詞TM50模;低旁瓣;高增益

中圖分類(lèi)號(hào)TN820

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0?引言

天線作為無(wú)線通信系統(tǒng)之間信息傳遞的重要組成部分，直接影響無(wú)線通信系統(tǒng)的整體性能.微帶天線因?yàn)槠淦拭娴?、加工制造?jiǎn)單、易共形等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事、民用等領(lǐng)域.但是，對(duì)于遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)，為了補(bǔ)償路徑損耗等問(wèn)題，對(duì)天線的增益提出了很高的要求.為了獲取較高的增益，傳統(tǒng)方法是單元組陣技術(shù).然而，對(duì)于增益較小的天線單元，不但需要更多的單元來(lái)滿(mǎn)足高增益的要求，而且增加了制作復(fù)雜度和加工成本.

針對(duì)天線單元增益較低的問(wèn)題，目前已有一些方案進(jìn)行解決.例如文獻(xiàn)[1-3]采用反射面等結(jié)構(gòu)來(lái)提高天線增益，但是這無(wú)疑增大了天線的剖面;文獻(xiàn)[4-6]采用堆疊形式或采用高介電常數(shù)介質(zhì)基板，而這種方法只是基于天線整體面積和介質(zhì)層的影響，并不是直接提高輻射單元的增益.為了在不增加天線剖面高度及破壞天線原有物理參數(shù)的前提下有效提高天線單元增益，使用高次模作為天線輻射模式成為一種有效途徑.但是，由于高次模存在較大的旁瓣，這將對(duì)實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生較大的影響.

為充分利用高次模的高增益特性，同時(shí)減小高次模旁瓣對(duì)天線性能的影響，本文以TM50模作為天線輻射模式.在分析天線表面的場(chǎng)分布后，通過(guò)對(duì)天線表面進(jìn)行開(kāi)槽，很好地消除了TM50模的4個(gè)旁瓣，同時(shí)獲得了較高的增益.

1?TM50模式場(chǎng)分析

通過(guò)如圖1a所示的電流分布可以得到，在TM50諧振模式下，貼片表面形成5段電流，中間位置存在與2條輻射邊緣相反的電流區(qū)域.因?yàn)門(mén)M50模的輻射方向圖是由5段電流產(chǎn)生的場(chǎng)在遠(yuǎn)場(chǎng)疊加的結(jié)果，所以，如果能夠消除貼片表面的反向電流，就能很好地解決TM50模的旁瓣問(wèn)題.

如圖1b所示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在貼片表面2段反相電流的位置開(kāi)槽，可以使這2段電流分別形成回路，使其產(chǎn)生較小的輻射，從而使得TM50模的輻射方向圖是由3段同相電流疊加而成.所以，利用這樣的方法不但可以有效減小TM50模的旁瓣，而且還能獲得很高的增益.但是，從圖2a可以觀察到，由于中間槽使得H面電場(chǎng)分布變得不均勻，使得天線H面方向圖變寬，從而在一定程度上影響了天線增益的提高.為解決這一問(wèn)題，如圖2b所示，通過(guò)在中間槽的兩側(cè)加入4條對(duì)稱(chēng)邊緣槽，以此平衡被破壞的場(chǎng)分布，從而使得在消除TM50模旁瓣的同時(shí)又不會(huì)損失天線增益.

2?天線單元

天線結(jié)構(gòu)如圖3所示，基板選取介電常數(shù)為2.2的Rogers-5880，采用同軸饋電的方式對(duì)方形貼片進(jìn)行饋電.

首先分析在貼片反向電流處開(kāi)槽對(duì)TM50模旁瓣和天線增益的影響.圖4a、4b分別給出了不同長(zhǎng)度的槽所對(duì)應(yīng)的E面、H面方向圖.從圖4a可以觀察到，在沒(méi)有開(kāi)槽的情況下，天線具有2個(gè)與主瓣相同輻射強(qiáng)度的旁瓣和2個(gè)較低的旁瓣.隨著開(kāi)槽長(zhǎng)度的增加，方向電流的強(qiáng)度逐漸被削弱，從而使得旁瓣越來(lái)越低.但是，如圖4b所示，隨著開(kāi)槽長(zhǎng)度的增加，H面方向圖的寬度也隨之變寬，這將在一定程度上導(dǎo)致天線的增益下降.

為改善因貼片中間開(kāi)槽后所導(dǎo)致的天線增益下降問(wèn)題，圖5a、5b分別展示了中間槽長(zhǎng)度不變的前提下，在中間槽兩側(cè)開(kāi)4條對(duì)稱(chēng)槽對(duì)天線方向圖的影響.如圖5b所示，隨著4條邊緣槽長(zhǎng)度的增加，H面的寬度逐漸變窄，這使得增益有所上升.而且，從圖5a所示的E面方向圖可以看到，邊緣槽幾乎沒(méi)有影響到旁瓣消除的效果.

根據(jù)以上分析，可以對(duì)天線單元進(jìn)行優(yōu)化.通過(guò)調(diào)節(jié)中間槽以及邊緣槽的長(zhǎng)度，得到低旁瓣、高增益的天線單元.天線最大增益為13.3 dB.與此同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)饋電點(diǎn)的位置，獲得良好的匹配效果.天線尺寸參數(shù)如表1所示，天線方向圖如圖6a所示，S11曲線如圖6b所示.

3?結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)貼片天線單元增益較小的問(wèn)題，分析了高階模式對(duì)提高天線增益的可行性.利用TM50模作為輻射模式，在有效去除單元旁瓣、不影響天線實(shí)際應(yīng)用的前提下，在一定程度上提高了天線單元的增益，為后續(xù)高增益天線的研究提供了思路.

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