一种高性能的微带全向天线设计与分析

在移动通信领域中，全向高增益天线有着广泛的应用。微带交叉阵子天线作为一种全向高增益天线，以其结构简单，匹配容易，便于批量生产以及造价低廉等优点受到重视。一般的微带交叉阵子天线如图1所示，这种结构在仿真和实测中，方向图畸变比较严重，天线的电压驻波比也比较差。文献给出了一种改进的方案，将微带天线的地面做成梯形结构，如图2所示。这在一定程度上改善了天线性能。文中给出了该结构天线的仿真和实物测试结果，以便与本文提出的微带全向天线作比较。文中所提出的微带全向天线如图3所示。该天线除了采用微带渐变结构和电感匹配器外，还在天线的顶端加载了λg／4短路匹配枝节。仿真和测试表明，该天线同文献中提出的天线相比较，具有更好的电压驻波比和更高的增益，是一种高性能的微带全向天线。

图1 微带交叉阵子天线示意图

　　1 微带交叉阵子天线的基本原理

　　微带交叉阵子天线的基本结构如图1所示。将每段微带传输线的地面看成同轴线的外导体，导带看作同轴线的内导体，其与传统的COCO天线具有相似的结构。同样，微带交叉阵子天线也是由多个λg／2的微带单元级联而成，天线的地面和导带在介质基片的两侧交替放置，从而利用交叉连接来实现倒相。由于交叉连接点的不连续性形成辐射，使得这种结构存在两种模式，即传输模和辐射模。对于传输模，由于波沿导带和接地板的内表面传输，而且微带传输线是均匀的，所以在分析时不考虑空间的辐射。而辐射模，则是由于各接地板的交替处电压源激励起的辐射电流存在于接地板的内外表面，从而形成辐射。同COCO天线一样，微带交叉阵子天线也是一个阵列天线。由阵列天线的基本理论可知，对于远场区，天线的归一化方向性函数为

　　天线的增益为

　　其中，η为天线的辐射效率；D为天线的方向性系数。

　　2 微带交叉阵子天线的设计与分析

　　基本的微带交叉阵子天线如图1所示，实验证明，该结构天线的方向图畸变比较严重，而且带内电压驻波比也不理想。为了改善天线的性能，将天线地板设计成梯形结构，并在每个微带单元导带的中间加载一个矩形贴片，用于对天线进行调谐，此时的天线结构如图2所示，这在一定程度上改善了天线的阻抗特性。加载的矩形贴片相当于1个电感器。假设该电感器的长为l，宽为w，那么其等效电路的电感L如式（3）所示。

　　其中，h为介质板厚度；t是导体的厚度；Kg为校正因子，其经验公式为

　　从式（3）可以看出，在介质板参数确定的情况下，矩形贴片的电感值主要由其宽度w来决定。

图2 顶端未加载天线示意图