（电磁场与微波技术专业论文）渐变槽线天线的研究及其在移动通信基站中的应用.pdf

渐变槽线天线的研究 及其在移动通信基站中的应用 摘要 本学位论文旨在研究新型结构的渐变槽线天线探索其在移动通信系统中的应用。在传 统的对称渐变槽线天线的基础上，根据通信小区基站服务覆盖的对天线方向性图的赋形要 求，设计具有特殊辐射效果的非对称渐变槽线天线。传统的基站天线采用沿铅垂面排列的阵 列天线，需借助不等幅、不同相的馈电以实现方向性图的赋形综合及优化、由此需设计复杂 的专用馈线网络。本文采用的方案则是：改用在铅垂面内水平伸展的渐变槽线式行波天线取 代垂直阵列天线，并借助调整两条渐变曲边的线形、在槽线天线接地板上采用抗流结构等手 段，实现方向性图赋形的目的，包括：上副瓣的抑制、下零点的填充、以及主向按需适度下 倾等。计算机仿真和样品实测的结果都确认了本方案的有效、可行。在中心频率时，实测增 益达到l l7 4 d b ，天线的辐射主向沿b 面下倾4 0 ；上半空间的第一副瓣电平低于一1 9 8d b ， 下半空间的零点补充效果明显；有效服务的功率覆盖效率亿高于6 0 ，良好地利用了辐射 功率；同时，天线的水平面( h - 面) 半功率波束宽度保持在5 0 。“5 。范围内，符合实用要求。 在3 ：1 的频段范围( 56 1 6 8 g h z ) 内，驻波比小于2 ：1 ；在1 6 ：1 的频段范围( 9 5 1 54 g h z ) 内，驻波比小于1 5 ：1 。 在单向赋形非对称渐变槽线天线的基础上，进一步扩展其应用，设计了由单条微带线馈 电的双定向的非对称渐变槽线天线，可同时为两个小区提供高覆盖效率的通信服务。该天线 的实测结果：在中心频率处，压一面内两个相背的辐射主向各下倾15 。，半功率波束宽度为约 3 5 。，功率覆盖效率仇高达6 0 ；h - 面波束宽度为5 0 。在( 68 1i ：3 g h z ) 频段范围内，驻波 比小于2 ：1 。 最后本文讨论了可赋形非对称渐变槽线天线的其他应用，包括四向或多向天线，以及通 过赋形改善微带反射阵或微带传输阵的性能等。 关键词：渐变槽线天线方向性图赋形综合移动通信用基站天线 a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i si st od e v e l o pan o v e lt a p e r e ds l o t - l i n ea n t e n n af r s a ) f o rt h e a p p l i c a t i o ni nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sb a s e do nt h et r a d i t i o n a lt s a w i t hs y m m e t r i cs t r u c t u r e ，i n o r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t si nv e r t i c a lp a t t e r no fab a s e - s m t i o na n t e n n a , an o v e lb u ts i m p l e s t r u c t u r eo fa s y r n m e t r i c - t s ai s p r o p o s e du n d e rt h ep a t t e r ns y n t h e s i sf i r s t l y ，ap r o t o t y p ei s d e s i g n e da sas c a l e ds a m p l ea t1 0g h z b ya d j u s t i n gt h ep r o f i l e so fa s y m m e t r i cc o n d u c t i n gp l a t e s r e s p e c t i v e l y , c u t t i n gt h ec o r r u g a t e ds l o t so ns i d e - e d g e s ，a n ds e t t i n gab a c k e dp l a t ef o rs i n g l e a s y m m e t r i c - t s as t r u c t u r e ，t h ev e r t i c a lp a t t e r nm e e t st h es y n t h e s i z e dr e q u i r e m e n t s ，t h em e a s u r e d r e s u l t sa r e ：4 。b e a mt i l t i n g ，n u l lf i l l i n gi nt h el o w e rs i d e ，a n ds u p p r e s s e ds i d el o b e ( _ - 1 9 8d b ) i n t h eu p p e rs i d e ，t h ec o v e r a g ee f f i c i e n c ye x c e e d s6 0 ：b e s i d e s ，i t sh o r i z o n t a lp a t t e r nk e e p sh p b w b e t w e e n5 0 0 - 6 5 。：i t sp e a kv a l u eo f d i r e c t i v eg a i na p p r o a c h e st o1 1 7d b i ；i t sv s w r 2 ：1o v e r 31f r e q u e n c yc o v e r a g e ( 5 5 6 1 6 8g h z ) ，o rv s w rs15 ：1o v e r1 6 ：1 f r e q u e n c yc o v e r a g e ( 95 1 5 4g h 曲 f u r t h e r m o r e as a m p l eo ft w i na s y m m e t r i c t s ai sd e s i g n e da sap a i ro fb a c k - t o b a c ks i n g l e o n e 、a n de x c i t e db yac o f f d t i o nm i c r o s t r i pl i n e m e a s u r e dv e r t i c a lp a t t e mo f t h i sa n t e n n aa t1 0g h z p o s s e s s e s 15 。b e a mt i l t i n g ，n u l lf i l l i n gi nt h el o w e rs i d ea n ds u p p r e s s e ds i d e l o b ei nt h eu p p e r s i d e ；h p b w3 5 0i nv e r t i c a lp a t t e r na n d5 0 。i nh o r i z o n t a lp a t t e r n ；i t sc o v e r i n ge f f i c i e n c yi su dt o 6 0 ，i t sv s w r 2 ：1o v e r16 7 ：1f r e q u e n c yc o v e r a g e ( 68 - 11 3 g h z ) f i n a l l y , t h el a s tp a r to ft h i st h e s i se x p l o r e st h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o no fa s y m m e t r i c t s a ， i n c l u d i n g ：f o u r - w i n go ro m n i - d i r e c t i o n a la s y m m e t r i e - t s a ；a n da l s ot h et s au s e da saf e e do f r e f l e c t - a r r a ya n t e n n aw i t hi m p r o v e dp e r f o r m a n c e s k e y w o r d s ：t a p e r e ds l o t l i n ea n t e n n a ，r a d i a t i o np a t t e r ns y n t h e s i s ，b a s e s t a t i o na n t e n n af o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n 引言 自从赫兹为了证实电磁波的存在而设计出最原始的天线以来，无线电技术在社会生活中 的重要性与日俱增，所采用的天线种类也层出不穷，大到直径数公里的射电望远镜、小至行 人手持的移动电话，远及上亿公里外的“勇气号”火星探测器、近则塞入耳廓的无线蓝牙耳 机，天线无处不在地发出各种各样信号联系着你我他。天线是通信中不可或缺的组成部分， 它辐射出载有信号的电磁波+ 通过另一端的天线接收、恢复信号以实现通信的目的，不同的 通信系统对天线性能的要求各异，在雷达、卫星通信以及太空探测等应用领域。要求天线具 有高定向性以实现信号的远距离发射或接收，而在移动通信无线广播等应用领域，却希望天 线全方为地辐射以覆盖特定的服务范围。 平面印刷天线具有印刷电路工艺的全部优点，体积小、剖面低、批量制造、易与结构共 形、适合与电路集成并能有效地避免由焊接工艺带来的无源交调困扰，因而得8 广泛的应 用，并将成为未来移动通信等系统中的主流结构。然而，目前用于移动通信基站设备中的印 数天线限于振子或贴片等谐振结构。另一类基于行波结构的渐变槽线天线( t a p e r e ds l o t - l i n e a n t e n n a , t s a ) 具有端射式的辐射特性，它不仅沿袭了平面印刷天线的上述优点，还有其独 特优势：宽频带、单一馈电端就可实现较高的增益、线极化纯度高、以及b 面和肌面辐射 方向性图有近似相同的半功率波束宽度等。通常，渐变槽线天线被用于各种无线电测量系统 中，用来探测宽频带的电磁波信号，或是作为阵列单元应用于波束扫描的超宽频带相控阵中。 随着移动通信事业在我国的迅猛发展，移动电话越来越多地为人们的工作和生活提供着 方便和快捷，而基站天线如同整个移动通信系统的触角。在通信过程中起着取足轻重的作用。 根据应用场合韵不同，基站也嚣耍选择不同类型的天线。根据水平面方向性图可分为定向天 线和全向天线，根据垂直砸方向性图可分为简单天线和赋形天线，根据调整下倾角的方式可 分为机械调整天线与电调天线等。当前，一般基台天线的方向性图赋形技术是将天线单元组 阵，并对各单元施加不等辐度和或不同相位的馈电通过调整方向性图的阵因子来实现期 望的阵列方向性图。这种赋形技术需要分别设计天线的单元与阵列，以及结构复杂的馈线网 络。另一方面。传统基台天线由频带较窄的偶极子单元组阵。只有约l o 的工作频带。 本论文的研究则另辟蹊径，采用与传统基台天线赋形技术完全不同的方案，通过改变传 统渐变槽线天线的上下槽线边缘的线形，结合加开扼流槽、加置金属反射背板等结构，实现 了移动通信中对基台天线的铅垂面方向性图赋形要求，包括上副瓣的抑制、下零点的填充， 以及主向按需适度下倾、提高功率覆盖效率等。该方案提供了单一结构无需组阵、单端口馈 电无需馈线网络的赋形基台天线。同时，非对称渐变槽线天线沿袭对称渐变槽线天线的优点， 达到约2 0 的宽频带特性，适合移动通信应用。相比于传统基站天线的偶极子单元，非对 称渐变槽线天线采用印刷结构，制作简单，利于天线的批量生产，其方案的可行性通过电磁 仿真软件c s t m i c r o w a v e o 伍c e 及实际样晶测试得到了证实。 论文共分六章。第一章“渐变槽线天线”，介绍了传统t s a 结构的辐射机理、性能特点、 分析方法，及其基本类型和应用领域。第二章“通信领域中的基站天线”，概括了现代通信 领域中基站天线的分类及常用技术。第三章“非对称渐变槽线天线的波束赋形”，具体介绍 了非对称渐变槽线天线的结构，设计思想，并且给出了详细的软件仿真和实测结果。第四章 “双定向的非对称渐变槽线天线”，是在第三章单定向天线的基础上，设计井分析了同时朝 两个相反方向辐射的积定向的菲对称渐变槽线天线，其馈电结构更为简便，箕可行性已被实 验结果所证实。第五章“可赋形非对称渐变槽线天线的推广应用”，讨论本研究成果的其它 应用的可能性，并总结本论文的研究工作，展望后续研究的方向。 1 渐变槽线天线 渐变槽线天线( t a p e r e ds l o t l i n ea n t e n n a ，t s a ) ，作为一种端射式行波 天线，结构简单、重量轻、易于印刷制造，并且因其较宽的频带和较高的增益 而得到广泛的应用。了解渐变槽线天线的性能及辐射机理，有助于更针对性地 设计此类天线。本章先综述t s a 结构的辐射机理、性能特点、分析方法，及 其基本类型和应用领域等。 1 1t s a 结构的辐射机理 渐变槽线天线，某些文献中也称为渐变凹口( t a p e r e d n o t c h ) 天线、扩展 式缝隙( f l a r e d s l o t ) 天线，自1 9 7 4 年l e w i s ，l 提出其雏形至今。已有3 0 多年的历史。t s a 通过对介质基片表面的金属涂层蚀刻制成，如图1 1 所 示。其结构可按不同的功能划分为两段：等宽度耽的导波区，和渐变宽度 既 g a w o 的辐射区。这里，既一始端槽线的缝宽，既一辐射区渐变槽 线的缝宽，矾一终端的口径宽度。 w o 彪 图1 1 渐变槽线的结构示意图 各种渐变槽线天线的不同在于构成天线辐射区的槽线形状的差异，如指数 渐变槽线天线( v i v a l d it s a ，v t s a ) 、线性渐变槽线天线( l t s a ) 、固定宽度 槽线天线( c w s a ) 等，示于图1 2 。对渐变槽线的馈电，既可采用鳍线( 波 导) 、共面波导激励，也可由基片另一侧的微带线激励，将在本章后续段落中 讨论。 渐变槽线天线的辐射机理与标准t e m 模喇叭天线的辐射机理类似 1 】，喇 叭天线的导波结构在渐变槽线天线中即是按特定函数展开的印刷槽线。电流通 过馈线耦合到槽线金属板上，并沿着槽线张开的方向传播，由其产生的电场在 槽线之间边向前传播、边辐射，因此渐变槽线天线是一种端射式行波天线，等 效为平面印刷型t e m 模喇叭天线。 萄禽寅 雌a 图1 2 渐变槽线天线的典型辐射方向性图 对于工作于匹配状态下的槽线，如果槽宽远小于半个工作波长，则其中的 导波能量被束缚在导体板之间而不会向外辐射1 3 1 ；然而渐变槽线天线是利用槽 线宽度大于半个工作波长时的辐射特性，逐渐加大的槽宽形似t e m 模喇叭天 线而向外辐射或向内接收电磁波。 对于不同的工作频率，由渐变槽线天线的不同部位发射或接收电磁波，而 各辐射部位所对应的电长度相当天线工作频带低频端的截止波长对应了槽线 最大宽度的2 倍；而天线工作频带的高频端则受到槽线最窄处宽度的限制。所 以理论上。槽线天线具有很宽的工作频带，并在频带内的波束宽度变化不大。 y o o ni j 提出的含有特定阻带的超宽频带槽线天线】论证了天线的上述辐 射机理。在图1 3 ( a ) 所示的天线结构中，通过在普通的v i v a l d i 渐变槽线天线 上对称地割有两个长度为四分之一阻带波长的缝，便天线在原有的2 9 1 1 0 9g h z ( v s w r 厶，可以固定 厶而减小厶，或是固定l ：而增大厶，具有相同的主向下倾效果。但增大上q 会导致天线 体积的增大，且定向性提高而主瓣变窄。这里只考察固定厶而减小岛的情况，取 工i = 6 0 咖。其他指定的参数与3 3 节中对称渐变槽线天线的取值相同。 ( 1 ) 工2 的影响 图3 5 为岛对天线方向性图的影响，表3 2 为取不同值对性能参数的比较。随着上2 的减小、即槽线2 长度的缩短，b 面方向性图主向下倾。工2 分别为4 0m m 、3 0m l m 、 2 0m m 时，对应的下倾角为3 6 、5 0 、7 0 。主向下倾的同时，其下方零点及第一下旁瓣 的辐值均有显著提高，且后瓣减小，如此有利于大帮分的天线辐射功率覆盖于前方下 半空间，减小不必要的能量损失此点可从口值随厶减小而增大的规律得以证实。 图3 5 如对且面方向性图的影响( ，；l o o l - l z ) ( h i = 2 1m m ，l l = 6 0m m ，2 - - 2 1t o n i ，r l = r 2 = 0 0 2 ) h “h h 圈3 6 飓对豆面方向性图的影响扩= 1 0o h z ) ( j i ：l = - - 2 11 1 1 1 1 1 ，l 1 - 。6 0m ，= 3 0 ，f i l m 托= r 2 = 0 0 2 ) 表3 2 方向性圈参数随如的变化 工2 ( r a m ) 4 03 02 0 下侧第旁瓣( d b ) 8 4 - 6 95 2 下侧第零点( c t b ) 。1 0 99 47 5 前后比( d b ) i 4 2一1 3 2一1 4 6 b 面主向下倾角r ) 357 玎 5 5 1 5 8 7 6 4 2 ( 2 ) 岛的影响 在已减小岛实现主向下倾的基础上，考察凰变化对天线辐射方向性图的影响，示 于图3 6 。取工2 - 3 0m m ，表3 3 为不同局值时的性能比较。随着鹧增加，b 面方向性 图下倾角增加，取飓等于2 1m m 、2 4i n m 、2 9m n l 时，对应的下倾角分别为5 。、6 。、 妒。并且下方第一、第二零点与第一、第二副瓣电平随下倾角增加而增大，方向性系 数值略微降低。另一方面，在改普下半空间方向性图的同时，上半空间的副瓣却显著 增大：面且从鹜3 7 中发现，是的增大也增加了肛面方向性图的副瓣电平，还使前后 比恶化。 表3 3 方向性图参数随飓的变化 飓( r a m ) 2 l 2 5 2 9 下侧第一旁瓣( d b ) - 75 74 4 下侧第一零点( d b ) 9 49 “- 7 7 前后比( d b )1 3 ，6 1 3 5 1 4 8 量面主向下倾角( 。) 568 玎 5 8 7 6 4 5 6 7 1 ( 3 ) r 1 的影响 、日1 0 |“甜4 i t t l e t a 伽r e 日 图3 7 王如对h - 面方向性图的影响( f - l og h z ) ( h i = 2 1m m ，l i = 6 0f i l m ，岛= 3 0 m m ，r i = r 2 卸0 2 ) n - q n )t h 口口州， 图3 8r l 对b 面方向性图的影响扩= l oo h z ) 图3 9r 2 对b 面方向性图的影响( 厂= i og h z ) ) ( h i 2 2 1i n ml j = 6 0m mh 2 = 2 1m m ，l 2 = 3 0n l r l l ，r j = o 0 2 ) ( 凰- - - 2 1n l m ，厶= 6 0m m , h 2 - - 2 1m m ，舻3 0 m m ，r l = 0 0 2 ) 2 1 口 f 口 怔 一s一耋*6 j，16霉viv上o 图3 8 为蜀对天线辐射方向性图的影响，表3 , 4 为不同r - 值时辐射性能的比较。马 的增大几乎不影响主向的下倾角度和下副瓣的大小，且使下侧第一零点填充效果变 好，下半空间方向性图更加平滑：但同时使上侧副瓣以及零点电平增大。 表3 4 方向性图参数随r 。的变化 r l o 0 2o 0 6o 1 下侧第一旁瓣( d b )一6 96 5 2 下侧第一零点( d b ) 一9 46 ，5 上侧第一旁瓣( d b ) 一1 6 91 41 2 4 上侧第一零点( d b ) 2 5 8 - 1 8 1 4 9 前后比( d b )一1 3 21 31 2 5 正面主向下倾角( 。) 555 蹿 5 8 7 5 9 9 5 8 o ( 4 ) 惑的影响 图3 9 为岛对天线辐射方向性图的影响，表3 5 为不同r 2 值时辐射性能的比较。 随着岛由0 0 2 依次增加到o 1 ，b 面的主向下倾角近似呈线性地从5 。缓慢增加到6 。 恐对下方第一零点与第一旁瓣电平的影响不大，而对于下方其他零点有所补充。 表3 5 方向性图参数随岛的变化 飓 0 0 20 0 6 o 1 下侧第一旁瓣( d b ) - 7 7 1 7 2 下侧第一零点( d b ) 9 4母6- 9 6 前后比( d b ) 1 3 31 3 21 2 7 县面主向下倾角( o ) 556 玎 5 8 7 5 8 7 5 8 7 ( 5 ) 讨论 通过研究槽线的两条曲边参数对天线辐射方向性图产生的影响，得出以下结论： 调整工2 可有效控制下倾角，且减小岛也可改善昂面方向性图的其他辐射性能，因 此天线所需下倾角可主要通过减小上2 来实现。 调整岛也可改变辐射下倾角，但增大局会对县面方向性图的其他辐射性能产生 不良影响，同时增加了胁面方向性图的副瓣与后瓣电平；并且增加岛会增大天线尺 寸，因此原则上不采取增大马的方式来调节天线的赋形设计。 r 。的变化不影响天线主向的下倾角度，取较大值时可减小b 面方向性图下半空间 的零点深度而趋向平滑。另一方面，由于后续段落中将采用抗流结构以进一步减小天 线的上半空阔辐射，而较大的置可增加接地板上半部分面积以提高抗流效果。因此， 在本章中取较大的品值( 0 0 5 r i 0 1 ) 。 将岛作为下倾角的微调参数以改善其他方向的辐射性能。 3 5 抗流结构 图3 1 0 为3 3 节中对称渐变槽线天线( 厶_ 上2 - 8 0m m ，凰；魁2 1m m ，r l f f i r 2 = o 0 8 ， l = = 3m m ) 的电流幅度分布示意图，由图可见，从微带馈线耦合到天线接地板的 电流不仅分布在渐变槽线的曲边附近，还向接地板的两侧扩散。接地板边缘处的电流 会导致天线向两侧( 即y ) 方向的辐射而增大副瓣。为此，需采取抑制侧边电流的措 施，以求降低副瓣 图3 1 0 对称渐变槽线天线的电流分布图国3 1 1 具皱纹边界的渐变槽线天线 当渐变槽线天线工作在较低频段时，因受限于物理尺寸而属于电小尺寸范畴。文 献【4 1 采用在接地板两侧开多条缝隙形成皱纹边界( c o r r u g a t e de d g e s ) 的方法( 圈 3 1 1 ) ，避免在电小尺寸时渐变槽线天线的方向性图趋于恶化。仿真与实验都证实了边 缘缝隙可抑制边缘电流、有效地减小边缘处的电场强度，从而使减小天线尺寸时不至 于增大正面方向性图的主瓣宽度。 当渐变槽线天线工作于毫米波段时，要求天线所附着的介质基片厚度f 非常薄 ( o 0 0 5 【，凡二l s ，一1 l t & 】兰0 0 3 ) p j 以至难以实施：但若采用较厚基片则 会导致天线b 面方向性圉的主瓣分裂，形成很大的副瓣。文献【6 中通过接地板上的多 条横向缝隙及介质板后的导体条带构成光予带隙结构，如图3 1 2 所示。该结构的所在 处截断了接地板表面上的电流，使b 面方向性图的副瓣消失、前后比提高。 ( a ) 天线结构示意图( b ) 采用抗流结构前后天线的县面方向性图 图3 1 2 具光子带隙结构的渐变槽线天线 仿照文献 4 】，采用如图3 1 3 所示的抗流结构，在接地板侧边，与渐变槽线终端相 距耳】处开多条长度不等( 分别对应不同工作频率的四分之波长) 的横向槽，以减少天 线的侧向辐射；同时在天线的根部开多条类似的纵向槽，以减少天线的后向辐射提 高前后比。( 纵、横相对于传播辐射主向而言) 抗流槽截断了其所在处接地板上的电 流，避免产生不必要的辐射，可改善天线辐射性能、提高定向性。通过仿真软件对抗 流槽位置、槽的数目、长度、宽度及间距的优化，可以实现其最佳的辐射方向性图。 优化后结构参数列于表3 6 。 图3 ，1 3 天线抗流结构示意图 表3 6 天线抗流结构参数表( 单位：m i l l ) 图3 1 4 为对称渐变槽线天线采用了抗流结构后的电流分布图，与图3 1 0 对比，确 实有效的截断了天线侧边的电流。图3 1 5 所示为天线在加抗流槽前后之回波损耗的频 响曲线。发现抗流槽的引入增加了天线的谐振点，但对回波损耗的影响不大。 图3 1 4 引入抗流结构后对称渐变槽线天线电流分布图 图3 1 6 为天线在加抗流槽前后的辐射方向性图，( a ) 为e _ 面方向性图，( b ) 为 皿面方向性图，其方向性图的参数比较列于表3 7 。通过比较，证实了采用抗流结构可 有效地降低天线的侧向及后向辐射，其中昂面主瓣宽度由先前的4 0 ，l 。降低到3 5 6 。， 前后比明显改善，从一1 2 ，9d b 降低到1 9 6d b 。采用抗流结构后的薜面方向性图稍许变 差，表现为其副瓣增大了ld b ，但天线的总体性能相仿。采用抗流结构后的天线增益 提高了ld b 左右，能量更加集中于前向辐射。因此，该抗流方案也将应用于非对称渐 变槽线天线的设计中。 爹 i f m 刖6 吖柚h 砷 图3 1 s 渐变槽线天线采用抗流结构前后的回波损耗 ( a ) b 面方向性图( b ) 肝面方向性图 图3 1 6 渐变槽线天线采用抗流结构前后的方向性图 表3 7 渐变槽线天线采用抗流结构前后方向性圈的参数比较 增益 b 面犀面b 面f ，- 面 b 面h - 面 副瓣电平副瓣电平 前后比 前后比 h p b wh p b w ( d b ) ( o )( o ) ( d b )( d b )( d b )( d b ) 采用抗流 结构前 1 0 5 38 7- 7 91 2 91 3 24 0 14 3 3 采用抗流 结构后 1 1 5 96 91 9 61 4 23 5 64 2 4 需要注意的是，对非对称渐变槽线天线采用抗流结构时，天线b 面方向性图的主 向可能发生偏移，应进一步调整槽线的曲边，以取得所需的下倾角度。 3 6 背衬接地板 本节讨论在天线根部垂直地安装背衬金属板，一方面考虑到非对称渐变槽线天线 在基站天线中的应用前景，背衬金属板可便于天线的安装；另一方面，金属板可做为 天线的反射板，进一步减少后向辐射提高天线性能。 安装背衬金属反射板的天线结构如图3 1 7 所示，图( a ) 为立体示意图，图( b ) 为微带 馈线结构图。金属板规格为k w o x h g ，在金属板中央开有缝隙，其长度与非对称渐 变槽线天线宽度凰州毛+ 酢，+ 阡幺一致，宽度等于介质板厚度0 5m 。将非对称渐变槽 线天线的根部垂直地嵌入金属板的缝隙，并保证天线接地板与背衬金属板完全电接 触。为简化馈电端同轴电缆标准连接器的安装，将天线微带馈线段3 折成9 0 0 角后穿过 反射板，使与背板后的接头连接。该结构分成三段：垂直段长。、，水平段长上d 及斜边长为场，的折角段，其中通过软件优化的斜边长岛。可使天线具有良好的阻抗 匹配性能。 协立体示意图( b ) 微带饿线结构图 图3 1 7 安装背衬金属反射板的非对称渐变槽线天线 因背衬金属板已具有反射作用，渐变槽线天线根部的抗流槽可以省略，图3 1 8 为 省略前后天线吕面方向性图的比较，可见二者区别很小。 图3 1 8 带背衬金属板的非对称渐变槽线天线根 部有，无抗流槽时尽面方向性图的比较 图3 1 9 带背衬金属板的非对称渐变槽线天 线有，无上方抗流槽时且面方向性图比较 图3 1 9 为带背衬金属板的非对称渐变槽线天线有无上方抗流槽时方向性图的对 比，可见抗流槽的存在使天线前后比改善了2 6d b ，上侧副瓣电平减小了8 7d b ，下 侧后方辐射电平总体减少3d b 左右：虽然两者方向性系数没有区别，但上方抗流槽使 天线下半空间的方向性图更加平滑。 2 6 ( a ) 金属扳宽度变化( b ) 金属板长度变化 图3 2 0 金属反射板尺寸对天线方向性图的影响 图3 2 0 考察了背衬金属反射板尺寸对天线b 面方向性图的影响。如图( a ) 所示，金 属板长度l 6 = 5 2n m ，金属板宽度w c 分别取1 0i n t o 、2 0m m 、3 0m m 与4 0m m ，得知 接地板越宽，天线后瓣越小，即前后比性能越好，因此设计中选取w d = 3 0m m 。图( b ) 所示当金属板宽度w 6 - = 3 0m m ，而金属板长度由5 8m m 增加到7 8n l m 时天线方向性图 的变化，得知金属板的长度变化对天线的辐射性能影响不大，因此在便于天线安装的 前提下，取l 6 = 5 2m m ，即比渐变槽线天线两条侧边各宽出3t o n i ，以便在金属板上开 槽以嵌入渐变槽线天线，至此也就确定了天线轮廓的体积。 3 7 天线样品的设计实例 在上述参数研究的基础上，设计了具有主向下倾的非对称渐变槽线天线。其结构 参数列于表3 8 。 表3 8 天线结构尺寸参数( 单位：m m ，除蜀、岛外) 槽线 h 2 厶工2r l岛 1 2 12 1 6 03 0o 0 80 1 133 馈线“。“b“。如 如w aw , 3 2 51 0 11 74 8 55 81 5 51 1o 3 抗流槽厶d i 矾粒 521 4 51 5 其他岛w o h g d d厶 厶 5 23 034 44 83 天线的整体结构如图3 2 1 所示，( a ) 为其立体示意图，( b ) 为平面示意图。天线尾段 增加了一部分介质板，插入背衬金属反射板后用两矩形金属块夹紧固定以保证天线与 金属反射板之间的垂直关系。s m a 标准接头固定在反射板上，金属板上开- - d , 孔，供 接头内芯穿过并与天线微带馈线段3 相连。渐变槽线天线的金属开槽面与背衬金属板 之问焊接相连，使二者保持良好的电接触状态。 昌暮拿善置9l，116 ( a ) 立体结构示意图 3 8 天线样品的仿真结果 图3 2 l 天线结构图 ( b ) 天线平面示意图 3 8 1 回波损失 天线的馈电端采用c s tm i c r o w a v eo f f i c e 软件中的w a v e g u i d ep o r t ，模拟实际使用 的5 0 q 标准s m a 接头。归一化于5 0q 的回波损耗仿真曲线示于图3 2 2 ，得知该天线 可在6 1 3 3g h z ( 2 2 ：1 ) 的频带范围内达到v s w r 小于2 ：l ：而在6 3 1 1 9g h z ( 1 9 ：1 ) 的频带范围内达到v s w r 小于1 5 ：1 。 o 伟“h 图3 2 2 非对称渐变槽线天线样品回波损耗频响的仿真曲线 3 8 2 辐射方向性图 图3 2 3 绘出了9 5g h z ，1 0g i - - i z ，1 0 5g h z 三个频点上测试的天线县面、皿面方 向性图，其中实线代表主极化，虚线代表交叉极化。 口i 3 稽 国。? ( 由，= 1 0g h z - 面 ( e ) ；1 0 5g h ze - 面( f ) ，= 1 0 5g h zh - 面 图3 2 3 非对称渐变槽线天线样品的仿真方向性图 天线辐射方向性图的性能参数列于表3 9 ，可见当频率分别为9 5g h z 、1 0g h z 、 1 0 5g h z 时，天线b 面的主向下倾角对应由3 0 增加到5 0 ，方向性系数达到i id b ，副 瓣电平均低于1 5d b ，中心频率时的前后比为1 8 4d b ，h - 面的波瓣宽度为6 5 0 。由图 2 9 o 栅 珊 加 o 可见上副瓣与后向辐射的抑制与下零点的补充效果都很明显，有效功率覆盖效率口都在 6 0 以上，改善了辐射功率的利用。 表3 9 天线样品的辐射方向性图参数 副瓣电平 主瓣宽度交叉极化方向性系数 频率下倾角 开 ( d b ) ( 。)( d b )( d s i ) 量面 正o 1 6 83 2 71 4 8 9 5 g1 16 1 爿= 面 一1 4 96 69 8 b 面3 。- 1 53 5 51 9 4 l o g1 16 0 h - 面、 1 2 76 51 0 4 e 面 5 。1 6 23 61 9 3 1 0 5 g1 0 86 4 胁面 - 1 2 8 5 8 1 2 3 9 实验结果 3 9 1回波损失 采用a g i l e n t 矢量网络分析仪e 8 3 6 3 b ( 1 0m g h z - , 4 0g h z ) 在1 1 8g i - i z 频段上测 量天线回波损耗。 最初测试得到的天线回波损耗与仿真有较大差别，原因是天线与馈线连接处的加工 不够精细。后试以细薄的铜片加载在微带馈线上进行调谐达到了良好的匹配性能。 由于所加载的铜片体积相对于渐变槽线天线而言很小，它对天线辐射方向性图的影响 可忽略不计，这从实验方向性图与仿真方向性图对比的一致性中可得佐证。 天线经调谐后实测的回波损耗频响曲线示于图3 2 4 ，在3 ：1 ( 5 6 1 6 8g h z ) 的频 带范围内达到v s w r 小于2 ：l ，在1 6 ：1 ( 9 5 1 5 4g h z ) 的频带范围内达到v s w r 小 于1 5 ：l 。表3 1 0 为中心频率1 0g h z 附近若干频点的回波损耗。 占 8 3 e 毒 f r e q u e m c c 0 掩， 圈3 2 4 天线样品的实测回波损耗频响曲线 表3 1 0 中心频率附近若干频点的回波 损耗 回波损耗 频率( g h z ) ( d b ) 9 01 2 o 9 5一1 3 5 1 0 o1 8 7 1 0 52 6 7 1 1 o- 2 4 4 3 9 2 辐射方向性图 天线样品为装有背衬金属反射板的非对称渐变槽线天线，其轮廓尺寸为8 2 x5 8 3 0m m 。天线样品的实物见图3 2 5 。 3 0 ( a ) 渐变槽线天线的印刷表面( b ) 微带馈线面 图3 2 5 带有背衬金属反射板的非对称渐变槽线天线实物圈 采用旋转天线法在微波暗室测试天线的垂直面( 县面) 和水平面( 肛面) 的极坐 标方向性图，实验测量装置图见图3 2 6 。发射天线与待测天线距离，大于5m ，符合远 场方向性图测试条件r 。= 2 d 2 2 - - - 2 2 m 。其中d 为待测天线的最大孔径5 8 n l r n ， 五= “，为自由空间的波长，c 为光速。发射天线采用工作频率8 1 2g h z 的线极化矩 形喇叭天线，待测天线作为接收天线。 线极化矩形喇帆天线错搁无线 微波暗室 图3 2 6 方向性图测量装置图 实验测量了9 5g i - i z 、1 0g h z 、1 0 5g h z 三个频点的b 面、肛面主极化( 垂直极 化) 及交叉极化( 水平极化) 方向性图，水平与垂直的测量角度范围均为 1 8 0 。- - + 1 8 0 。归一化测试方向性图如图3 2 7 所示。 3 l 附己 1 o 彻产9 , 5 g h z t - 面 ( 0 3 ，= 1 0 g h zh - 面 ( o f = 1 0 5g h zb 面( o 产1 0 5g h zh - 面 图3 2 7 非对称渐变槽线天线样品的实铡方向性图 表3 11 为各频点上天线的辐射方向性图参数。当频率分别为9 5g i - i z 、1 0g h z 、 1 0 5g h z 时，天线b 面的主向下倾角对应为4 。、3 4 0 、5 2 0 。在9 5g h z 频点的副瓣电 平较差，它随频率提高丽改善，但昱- 面的主瓣宽度却随之增大。肛面的主瓣宽度保持 3 2 1叫，1叫d1叫1叫弓 一黪 。卜。 1叫叫叫d 拈 甜 计 却 村 种 肿 在5 0 。 6 5 。范围内，符合设计要求。天线b 面、昂面的交叉极化电平总体保持在一1 0d b 以下，在主向上约一2 0d b 。有效功率覆盖效率- 7 都高于6 0 ，良好地利用了辐射功 率。 表3 1 1 天线样品的实铡方向性图参数 频率 下倾角 副瓣电平 交叉极化 ( g h z ) ( 曲) 主瓣宽度 曰 ( d b ) 县面 d 。 一1 3 82 6 9 0一9 7 9 5 5 9 日面，1 6 46 5 。、，1 0 4 正面3 4 。1 9 52 9 3 01 1 5 l o o 6 1 麒面一1 3 5 5 3 8 。 一1 1 2 e - 面5 2 。- 1 9 8 3 2 01 1 9 1 0 5 6 7 社面一1 1 55 4 6 。一1 1 7 3 9 3 仿真与实验结果的对比 图3 2 8 为各频点处天线样品的仿真与实测方向性图比较，实测数据很好地符合仿 真结果，可见用于天线调配的加载铜片对方向性图的影响小得可允忽略。实测方向性 图在某些频点上的副瓣电平优于仿真结果。实验结果从总体上证实了天线设计理论的 正确性及可行性。 ( a ) ，；9 5g h ze - 面 ” i 一8 i 自m i l 4 j i or 9 l 卜m 9 i ( c ) = l o g h ze - 面 3 3 口a ( d ) ，；1 0 g h zh - 面 ( c ) ，。1 0 5g h z 县面( f ) _ 厂t1 0 5g h zh - 面 图3 2 8 非对称渐变槽线天线样品的仿真与测试方向性图比较 3 9 4 天线增益 实验采用比较法测量天线的增益，测试装置的连接如图3 2 9 所示。发射天线连接 高频信号源，被测天线和标准增益天线连接频谱分析仪。选用的标准增益天线为工作 频率如1 2g h z 的线极化矩形喇叭。 首先将标准增益天线架设在接收端，打开高频信号源并将信号源输出电平调节适 当，使频谱分析仪处于线性工作区，读取待测各频率点上频谱分析仪读数，设时为 置。保持发射端信号强度不变，接着以被测天线替换标准天线，读取待测各频率点 上频谱分析仪读数，设工时为足。设标准增益天线在频率石处的增益为g j ，则待测 天线在五处增益q = g j 一足一足。由于不同频率点上待测天线主向下倾角不同，因 此在读取接收功率足前应调整天线俯仰角，使待测天线与发射天线二者的最大辐射方 向相互对准。 圈3 2 9 天线增益测量装置图 图3 3 0 标准增益天线增益曲线 标准增益天线增益曲线如图3 3 0 所示。表3 1 2 列出9 1 1g i - i z 各待测频点上天线 样品的实测增益和软件仿真的方向性系数，并绘成图3 3 l 以资比较。两者随频率变化 的规律相似，验证了仿真结果的正确性。天线增益由9g i - i z 时的8 7 2d b 随频率提高而 迅速增加，在9 8g i - i z 时达到峰值1 1 7 4d b ，接着随频率的增加而缓慢减小。这是由 于工作频率升高后，天线电尺寸增大而增益提高，又因频率偏离谐振点而增益缓慢下 降。 表3 1 2 非对称渐变槽线天线样品的实测增益 待测天线接标准增益喇标准增益喇 待测天线增 天线仿真方向 频率 收功率叭接收功率 叭增益 ( g h z ) 益g ，( d b ) 性系数( a b i l r 。( d b m ) 足( d b m ) g ( d b ) 9 ，0 2 7 0 71 4 1 92 1 68 7 2 1 0 , 0 9 5，2 6 0 61 5 2 12 2 o1 1 1 51 1 0 9 82 5 1 81 4 8 22 2 11 1 7 41 1 1 1 0 ，0 2 6 1 6】5 7 7 2 21 i l | 7 i 1 i ，0 1 0 22 6 ，5 5 - 1 5 。7 42 2 。21 】3 9l o 2 1 0 5 2 7 3 51 6 3 92 2 31 1 3 41 0 _ 8 1 1 0 - 2 7 8 4 - 1 6 4 32 2 4 1 0 9 91 06 圈3 3 l 仿真方向性系数与实验增益比较 理论上，实验测试得到的天线增益不应超过仿真得到的天线方向性系数。但本次 试验中在多数频点上，天线的实测增益高于仿真的方向性系数，实测增益更高于仿真 增益，分析原园如下： 可能标准增益喇叭的标称值偏高，即在实际测试环境中，标准增益喇叭工作时由 于失配等原因没能达到所标定的增益值。 测定标准喇叭接收功率时。发射喇叭与标准喇叭的极化匹配存在一定误差，因此 减少了标准增益喇叭的接收功率。 实验中还存在其它各种误差，譬如s m a 接头的不匹配，天线的安装误差，发射天 线与待测天线的极化不完全匹配，周围环境存在干扰等因素。 参考文献 【1 g a r g ，r ，b h a r t i a , p ，b a h l ，i a n dl t t i p o b o o n ，a ，“m i c r o s t r i pa n t e n n s - d e s i g nh a n d b o o k ”， a r t e c hh o a s e 2 0 0 1 2 许立勤，程勇，任盛海，微波工程基础，南京邮电学院通信工程