顶部抑制和水平面全向辐射的平面背腔天线

1 引言

在一些需要搜索和定位地面和近地目标的无线传感网络系统中，比如用于边境探测识别的探地雷达系统 (Ground Penetrating Radar System)、车载防碰撞系统(Vehicle Anti-Collision System)等，要求天线在与地面成一定角度的范围内辐射较强。而天线顶部不在探测服务区，这些区域的辐射造成能源的浪费，外来信号也对系统造成干扰，需要抑制。在这些系统中的天线应该具有顶部抑制和水平面全向辐射的特性。同时，从安全和隐身的角度出发，还要求这些天线的结构设计为共形化、平面化。

常规的平面微带天线一方面难以实现超宽带，另一方面它的最大辐射方向在天线的顶端，即垂直与辐射单元表面，一般为标准的8字形辐射方向图，明显不适合应用于这些领域。双锥天线或单锥天线被广泛应用与探地雷达等相关领域，但是这种类型天线的辐射特性，要求它必须暴露于地面才能保证有效地探测和识别周边物体。说明它的隐身性能较差。

本文提出一种可工作于2.8—4.5GHz超宽带平面背腔天线。根据背腔中多模式混合可以展宽天线带宽的原理，天线由50欧姆同轴线外导体与矩形背腔相连进行馈电。十字交叉的微带贴片可以起到抑制顶部辐射和增强水平方向辐射的作用。利用三维全波有限元仿真软件Ansoft HFSS对该天线进行建模和仿真。根据其强大的参数优化功能，对同轴线内导体在腔内的长度、十字交叉贴片的长度、十字交叉贴片的宽度以及腔体的大小进行整体优化。结果表明：所设计天线工作于2.8—4.5GHz，天线的-10dB（VSWR2）阻抗带宽为48%，顶点增益小于-25dB，最大增益出现在与水平面成45—55度之间的地方，水平方向的增益则大于-0.5dB。并且具有良好的水平面全向辐射特性。

2 天线结构

本文提出的天线结构如图1所示。天线底端采用50欧姆的同轴线对天线进行馈电，即同轴线内外导体的直径分别为3mm和10mm，同轴线内外导体之间填充了介电常数为2.2的RT/Duraid 5880介质。十字交叉结构的微带片与传统的矩形片相比：除了起到抑制顶部辐射的作用外，还由于十字片之间的电磁耦合，增强了水平方向的电磁辐射。为了参数优化的方便，我们在模型中将十字交叉结构的微带片长和宽分别为设置为L₁和L₂，同轴线内导体距离微带片的垂直距离g。

根据腔体本征模式的理论，可以计算出3.5GHz范围内，该长方体背腔的长宽高可分别设置为70mm, 70mm和18mm。

图1 天线三维模型图

3 性能分析

在全波三维有限元软件中建立如图1所示的三维天线模型。这里我们使用Ansoft HFSS对其进计算和性能分析，借助该软件强大的参数优化功能，可以获得符合要求的几何参数。比如当只对单一参数进行优化时，可以保持天线的其他参数不变，只研究该参数的变化对天线性能（如回波损耗）的影响，从而就可以确定该单一参数的最优值。多参数的优化，除可以使用上面的方法外，还可以由Ansoft HFSS集成的各种优化算法对整体参量进行优化取值。

经过Ansoft HFSS优化处理得到天线的回波损耗随频率变化曲线如图2所示。从图中我们可以看出，该天线在2.8—4.5GHz频段内的回波损耗都小于-10dB。

图2 天线回波损耗随频率的变化关系

为了研究天线在整个频段上的辐射特性，我们给出天线在2.8GHz，3.6GHz，和4.5GHz的xoz面和yoz面以及xoy面的方向图，如图3所示。

（a）2.8GHz 的xoz面（实线）和yoz面（虚线）的方向图

（b）3.6GHz 的xoz面（实线）和yoz面（虚线）的方向图

（c）4.5GHz 的xoz面（实线）和yoz面（虚线）的方向图

（d）2.8GHz的xoy面方向图

（e）3.6GHz的xoy面方向图

（f）4.5GHz的xoy面方向图

图3 天线在三个频点上xoz、yoz、xoy三个面上的方向图

从图3可以看出天线在高中低三个频点上的顶点增益均小于-20dB。同时，在三个频点上的最大增益也均出现在与水平面成45—55度之间的地方。天线水平方向，即在xoy面，三个频点上的增益均大于-0.5dB。此外，从图3（d—f）可以看出，该天线在水平方向的增益波动在1dB以内，表明具有良好的水平面全向辐射特性。

4 结论

本文设计了一种新型的宽带平面背腔天线，由同轴线与腔体相连产生多种模式实现宽带的阻抗匹配，表面中心的十字交叉微带片通过电磁耦合用来抑制顶部辐射和增强水平方向的辐射。该天线结构简单、体积较小、同时具有全向辐射特性，可以广泛应用与如探地雷达和汽车防撞等无线传感网络中。