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的無線傳感網絡系統中，比如用于邊境探測識別的探地雷達系統 (Ground Penetrating Radar System)、車載防碰撞系統(Vehicle Anti-Collision System)等，要求天線在與地面成一定角度的范圍內輻射較強。而天線頂部不在探測服務區，這些區域的輻射造成能源的浪費，外來信號也對系統造成干擾，需要抑制。在這些系統中的天線應該具有頂部抑制和水平面全向輻射的特性。同時，從安全和隱身的角度出發，還要求這些天線的結構設計為共形化、平面化。

常規的平面微帶天線一方面難以實現超寬帶，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，一般為標準的8字形輻射方向圖，明顯不適合應用于這些領域。雙錐天線或單錐天線被廣泛應用與探地雷達等相關領域，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歐姆同軸線外導體與矩形背腔相連進行饋電。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對該天線進行建模和仿真。根據其強大的參數優化功能，對同軸線內導體在腔內的長度、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行整體優化。結果表明：所設計天線工作于2.8—4.5GHz，天線的-10dB（VSWR2）阻抗帶寬為48%，頂點增益小于-25dB，最大增益出現在與水平面成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 天線結構

本文提出的天線結構如圖1所示。天線底端采用50歐姆的同軸線對天線進行饋電，即同軸線內外導體的直徑分別為3mm和10mm，同軸線內外導體之間填充了介電常數為2.2的RT/Duraid 5880介質。十字交叉結構的微帶片與傳統的矩形片相比：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，增強了水平方向的電磁輻射。為了參數優化的方便，我們在模型中將十字交叉結構的微帶片長和寬分別為設置為L₁和L₂，同軸線內導體距離微帶片的垂直距離g。

根據腔體本征模式的理論，可以計算出3.5GHz范圍內，該長方體背腔的長寬高可分別設置為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對其進計算和性能分析，借助該軟件強大的參數優化功能，可以獲得符合要求的幾何參數。比如當只對單一參數進行優化時，可以保持天線的其他參數不變，只研究該參數的變化對天線性能（如回波損耗）的影響，從而就可以確定該單一參數的最優值。多參數的優化，除可以使用上面的方法外，還可以由Ansoft HFSS集成的各種優化算法對整體參量進行優化取值。

經過Ansoft HFSS優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頻段內的回波損耗都小于-10dB。

圖2 天線回波損耗隨頻率的變化關系

為了研究天線在整個頻段上的輻射特性，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（實線）和yoz面（虛線）的方向圖

（b）3.6GHz 的xoz面（實線）和yoz面（虛線）的方向圖

（c）4.5GHz 的xoz面（實線）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 天線在三個頻點上xoz、yoz、xoy三個面上的方向圖

從圖3可以看出天線在高中低三個頻點上的頂點增益均小于-20dB。同時，在三個頻點上的最大增益也均出現在與水平面成45—55度之間的地方。天線水平方向，即在xoy面，三個頻點上的增益均大于-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在1dB以內，表明具有良好的水平面全向輻射特性。

4 結論

本文設計了一種新型的寬帶平面背腔天線，由同軸線與腔體相連產生多種模式實現寬帶的阻抗匹配，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水平方向的輻射。該天線結構簡單、體積較小、同時具有全向輻射特性，可以廣泛應用與如探地雷達和汽車防撞等無線傳感網絡中。