加载渐变折射率透镜的寄生贴片阵列天线设计

Design of Parasitic Patch Antenna Array Loaded with Gradient Refractive Index Lens

摘要: 为解决无线通信领域天线增益较低、辐射距离较近的问题，本文提出了一款加载渐变折射率透镜的寄生贴片阵列天线，该阵列天线由渐变折射率透镜和一个4元寄生贴片阵列天线构成。我们首先在贴片天线接地板上刻蚀缺陷地结构以增强阵元天线的谐振能力，之后通过在贴片两侧加载额外的寄生贴片结构，阵元天线的增益和辐射特性能够得到进一步加强。最终设计得到的目标天线的−10 dB带宽为4.92~5.12 GHz，带内最大增益为8.408 dBi，具备良好的端射性能，在5G通信和室内雷达等领域具有一定的应用前景。

Abstract: In order to solve the problem of low antenna gain and short radiation distance in the field of wireless communications, a parasitic patch antenna array loaded with a gradient refractive index lens is proposed in this paper. The antenna array consists of a gradient refractive index lens and a 4-element parasitic patch antenna array. Firstly, we etch a defective ground structure on the ground plane to enhance the resonance level of the antenna element. Then, by loading additional parasitic patch structures on both sides of the patch, the gain and radiation characteristics of the antenna element can be further enhanced. The final designed target antenna has a −10 dB bandwidth of 4.92~5.12 GHz and a maximum in-band gain of 8.408 dBi. It has good end-fire performance and has certain application prospects in fields such as 5G communications and indoor radar.

1. 引言

随着无线通信系统的快速发展，高增益、低剖面天线的需求日益增长。微带天线由于具有低剖面、重量轻、低成本以及可兼容性强的优势受到了广泛关注，被广泛运用在雷达、卫星等无线通信系统中。目前常用的改善微带天线辐射性能的方法主要包括组阵、寄生贴片、宽带处理、超表面等。其中，经由组阵，王伟雄等人设计得到了一款工作在2~3 GHz具备特定辐射特性的2 × 2的圆形贴片阵列天线，该天线具备较低剖面，但回波损耗较差[1]。王相哲提出了谢昆诺夫多项式的方向图优化方法，设计得到的4 × 8单元的串馈贴片阵列在14~14.25 GHz频段内E面和H面方向图副瓣电平降至了−20 dB以下[2]。王朝阳等人通过改进H缝隙的贴片天线并将之应用于相控阵领域，驻波相对带宽达到了21.8%，实现了雷达天线的低剖面和较大带宽[3]。同时，基于近场聚焦理论，李英均利用U型槽贴片天线单元在柱面阵列和平面阵列上同时实现了近场聚焦[4]。此外，通过综合利用寄生贴片、矩形槽和接地孔三种结构，张诚等人实现了1.84 GHz贴片天线的带宽扩展，但该天线相较阵列天线增益较低[5]。在改善贴片天线带宽方面，通过使用背馈方式激励TM₁₀模以及TM₂₀模，赵双领等人实现了20%的−10 dB匹配带宽[6]。余海鹏通过使用集成波导缝隙耦合馈电以及同轴线缝隙耦合馈电分别实现了贴片天线宽带条件下的双频带和双极化性能[7]。孙学平通过四个Y型馈电结构对辐射贴片进行耦合馈电，实现了在1.25~4.05 GHz范围内106%的相对阻抗带宽[8]。同时，基于多模式贴片原理，魏利娟实现了低剖面条件下的双极化天线设计，其天线阻抗带宽为61% [9]。基于多模理论，梁长凤设计得到了相对带宽为109%的圆极化贴片天线[10]。通过利用超材料相关概念，并引入“八木”天线的反射器和引向器概念，郭蓉等人实现了6.9~13.6 GHz范围内65.3%的天线相对带宽[11]。除上述方法外，通过引入超材料结构，贴片天线的辐射性能亦能够得到明显提升。其中，通过使用微带和缝隙耦合两种方式对贴片天线进行馈电，刘双兵等人得到了一个工作在6.24~6.58 GHz和5.02~5.35 GHz范围内，轴比带宽分别为15.2%和12.9%的圆极化贴片天线，通过使用极化转换超表面，该天线的辐射特性亦得到进一步优化[12]。范婷婷等人通过在4个刻蚀有开口矩形环缝隙的贴片天线上加载单层超表面实现波束赋形，最终在5.31~6.24 GHz范围内将天线增益提高至7.55 dBi [13]。此外，通过综合利用组阵、超表面结构、缝隙结构以及特殊馈电网络，郝汉设计得到了可应用于5G通信频段的两款高增益和宽带宽贴片阵列天线[14]。上述方法虽然都能够明显改善贴片天线在目标频段的辐射特性，但多数频段居高，且部分方法依赖于复杂的馈电系统，不利于加工和使用。为改善这种情况，本文提出了一款加载渐变折射率透镜的寄生贴片阵列天线，其通过综合利用缺陷地结构、寄生贴片和超材料结构，能够实现在5G通信频段内贴片天线性能的明显提高。

2. 寄生贴片阵列天线设计

Figure 1. Design process of the patch antenna element

图1. 贴片天线单元设计过程图

Figure 2. Different parameters comparison results of the patch antenna element

图2. 贴片天线单元不同参数对比结果图

所设计的阵元天线结构见图1，天线设计采用厚度1 mm的FR4基板(${\epsilon }_r=4.4$ , $\tan \sigma =0.025$ )，图中黄色部分为天线的顶层辐射片、寄生贴片和矩形微带馈线，蓝色部分为基板，接地板在介质板的正下方，尺寸和介质板相同。图1(a)所示为最初设计得到的贴片天线，为实现更好的阻抗匹配，两条宽为L₃，长为W₃的矩形细缝被刻蚀在微带馈线两侧。为进一步加强天线在目标频段的谐振程度，本文在贴片天线的接地板上加载了一条倒“T”形缺陷地结构，如图1(b)所示。图1(c)所示为加载寄生贴片后的阵元天线结构。

利用CST仿真软件得到的倒“T”形槽水平长度L₄ (见图2(a))、寄生贴片长L₅、宽W₆以及寄生贴片和辐射贴片间距L₆ (见图2(b))对天线性能的影响见图2。考虑到缺陷地结构的引入会改变天线上的分布电感和电容，进而可以通过构建非周期结构产生额外谐振，故本文在贴片天线的接地板上刻蚀了一条倒“T”形槽。通过调整倒“T”形槽的水平长度L₄，进而能够影响分布电感和电容的大小，从而影响天线的谐振频率和3dB截止频率，进而影响天线的工作带宽。图2(a)中，虽然随着L₄的增加，贴片天线的|S₁₁|显著降低，增益显著提高，但是由于缝隙带来的能量在天线后方的泄露会随之增加，这会导致天线后瓣的增大，进而影响天线的辐射性能，故本文折中取L₄ = 16.5 mm作为最终值。为进一步改善贴片天线的辐射性能，本文在贴片垂直方向两条非辐射边两侧各添加了一个矩形寄生贴片(贴片天线工作在TM₀₁模，辐射边为水平方向的两条边缘)，基于电容耦合作用，通电后3个贴片都产生谐振，虽然三者谐振点不同，但相互临近的时候，−10 dB带宽将会产生重叠，天线的带宽随之增加。图2(b)展示了寄生贴片尺寸以及与主辐射贴片间距对天线性能的影响。能够看到，相比于其他尺寸结构，寄生贴片尺寸为L₅ = 4 mm、W₆ = 7 mm以及缝隙宽度为L₆ = 0.4 mm时，贴片天线的反射系数更低，天线辐射增益最大，天线的性能更好。加载缺陷地结构和寄生贴片前后，图1中三个天线的性能对比如图2(c)所示。相比于图1(a)中天线，加载缺陷地结构和寄生贴片后阵元天线的−10 dB带宽得到了明显拓宽，谐振程度明显增强，最终阵元天线的工作带宽为4.78~5.00 GHz。同时，对比未加载两种结构时的天线，阵元天线的辐射增益在工作频带内亦得到了明显提升，最大带内辐射增益为3.51 dBi。基于上述阵元贴片天线，本文设计得到了一款如图3所示的4元贴片阵列天线，阵元天线通过中心红色圆点经由一个一分四等分功分器进行馈电，天线相关尺寸见表1所示。

Figure 3. Structure of the patch antenna array

图3. 贴片阵列天线结构图

Table 1. Structure parameters of the target antenna

表1. 目标天线尺寸参数表

W0	W1	W2	W3	W4	W5	W6	W7	W8
30	14.4	7.8	4	7	0.5	7	1.88	0.98
W9	L0	L1	L2	L3	L4	L5	L6	L7
16.725	30	14.4	0.5	0.5	8	4	0.4	8
L8	L9	L10	R0	R1	R2	R3	R4	R5
7	1.88	0.5	1	2	3.5	3	0.5	1

3. 加载渐变折射率透镜的贴片阵列天线设计

3.1. 渐变折射率透镜设计

在得到如图3所示的贴片天线阵列后，为进一步提高天线的辐射增益，改善天线的方向性，本文设计得到的超材料透镜单元见图4所示。该单元由位于顶层的铜钱状金属铁片和介质板构成，介质板采用10 × 10 mm的FR4基板，厚度为0.5 mm。设计过程中，分别在x和y轴添加unit cell边界条件，电磁波沿着z轴方向进行传播。通过调整图4(a)中R₂，R₃，R₄和R₅可以得到具备不同折射率的超材料透镜单元。未避免透镜结构带来过大的天线体积，本文选用了3种不同折射率的透镜单元，不同单元的折射率对比结果见图5，不同单元间折射率在工作频带内相差0.5左右。

Figure 4. Structure of the lens unit cell

图4. 透镜单元结构图

Figure 5. Refractive index of the lens unit cell

图5. 透镜单元折射率图

3.2. 加载渐变折射率透镜的贴片阵列天线

在得到上述设计的贴片阵列天线和渐变折射率透镜单元之后，本文设计得到的目标天线见图6所示。图中(a)为渐变折射率透镜最终模型，其由图5中所示的三种单元组成，为6 × 6的单元阵列，中心单元折射率最小，最外侧单元折射率最大，以保证能够将侧面辐射波更好的聚集在端射反向上。图6(b)所示为加载渐变折射率透镜的贴片阵列天线的安装示意图，其中，阵列天线由同轴端口进行馈电，渐变折射率透镜和阵列天线间间距H = 40 mm。

Figure 6. Structure of the gradient refractive index metamaterial lens and proposed antenna

图6. 渐变折射率透镜结构图和目标天线结构示意图

4. 仿真结果与讨论

4.1. S参数

根据以上模型得到的目标天线，单个贴片天线、阵列天线以及加载渐变折射率透镜后的阵列天线的S参数对比结果见图7(a)。能够看到，4元贴片阵列天线的工作频段相比单个天线发生了频移，工作频段变为了4.96~5.13 GHz，且谐振程度相比单个天线更强。同时，加载渐变折射率透镜之后，天线的工作频率也出现了频移现象，最终工作频率变为4.92~5.12 GHz，带宽相比阵列天线增加了0.03 GHz。

Figure 7. S-parameters and gain comparison results of the proposed antenna

图7. 目标天线S参数和增益对比结果图

4.2. 增益

图7(a)涉及到的3个天线的增益对比结果见图7(b)所示。能够看到，相比于单个贴片天线，带内最大增益3.51 dBi，组阵后，天线的增益在工作频带内都发生了明显增加，此时最大增益变为7.11 dBi。同时，在端射方向增设渐变折射率透镜后，天线增益在整个工作频带内平均增加了1.3 dB，最大增益变为4.925 GHz处的8.408 dBi。

4.3. 方向图

本文所设计得到的3个不同天线间的方向图对比结果见图8。相比于单个贴片天线，组阵和加载渐变折射率透镜都能够进一步加强天线在端射方向的方向性，两者在端射方向的主瓣宽度更窄，方向性更好。同时，加载渐变折射率透镜能够进一步增强天线的辐射增益。

Figure 8. Radiation pattern comparison results of the proposed antenna

图8. 目标天线方向图对比结果

5. 结论

本文提出了一款加载渐变折射率透镜的4元贴片阵列天线。通过使用缺陷地结构和寄生贴片结构，阵元天线的增益和带宽获得了加强。后经由组阵，大幅度提高了天线在4.92~5.12 GHz范围内的增益。同时，通过加载单层渐变折射率透镜，目标天线的辐射增益在工作频带上平均提高了1.3 dB，天线的方向性得到了明显提升。但是，由于透镜结构的引入，最终天线的体积有所增加，需要后续继续改进。

基金项目

本文由广西自然科学基金青年科学基金项目(No. 2022JJB150010)、广西高校中青年教师科研基础能力提升项目(No. 2023KY0793)和广西民族师范学院校级科研项目(No. 2022SP005)支持研究。

NOTES

^*通讯作者。