无线应用中单极子耦合天线的高增益阵列

摘要

本文描述了一种在地平面上的单极子天线阵列，该阵列在发射端方向上辐射一个定向波瓣。该设计采用了Drouet et al. 2008所描述的严格方法，通过单极子之间的强累积耦合来合成辐射。在4.5%的带宽下，终端发射方向获得了高于20 dB的增益。然而，为了补偿边缘衍射引起的光束偏差，天线已经倾斜。为了验证天线原理，制作了12个单元的样机，并成功测量了整个天线。利用CST-Microwave Studio软件对样机进行了研究，并利用Agilent ADS软件设计了馈电网络。

1.介绍

本文讨论了必须满足某些特殊要求的车载天线的设计。首先，这种天线必须集成在屋顶上，诱导一个低轮廓天线在地面上工作。其次，必须使用向地平线辐射的端射天线来与基站通信。最后，天线增益必须高，以减少基站的数量。设计一个满足所有这些规格的天线是非常困难的。

线性单极阵列由于其简单、成本低、极化纯度高、带宽合理、功率处理能力强等优点，在许多天线系统中得到了广泛的应用[1］．然而，相邻天线单元之间的强互耦也会导致辐射模式和匹配退化。馈电网络也会受到直接影响。从理论上已经证明，在适当的负荷下可以降低相互耦合对辐射图样的影响[2- - - - - -5］．

本文的目的是通过管理耦合来设计单极子线性阵列。此外，天线设计必须是坚固的，易于制造，以便集成在车顶，从而经受户外条件，如雨和风。

在第一部分，整体设计方法将简要说明。然后，给出了由12个单极子组成的线性阵列的原理、设计和性能。在第二部分中，将描述由馈电网络馈电的4 × 12单极子阵列。最后一节讨论了4 × 12单极子的设计，可以与八木天线进行比较。

2.基本结构

2．1．原则

它的基本结构是由十二个单极和一个馈电网络组成。单极子之间的强相互作用要求馈电网络的设计具有较高的精度，以优化方向性。

目标包括阻抗匹配和入射功率的确定，以达到目标辐射方向图和单极子阵列的最佳匹配。

我们采用[6为强耦合阵列天线的设计提供了理论依据:利用CST-Microwave studio计算了矩阵和12个单极子连续馈电时的12幅辐射图来（1)．客观辐射图提出了。这个目标辐射图可以是一个单极子在其有限地平面上的辐射图乘以阵列因子的线性组合(2)．在这个关系,是每个单极子之间的距离阶段是磁单极子。

方程(1)提供了必须应用于单极子辐射模式的权重。方程(3.)导致将天线阻抗考虑为参考为了达到匹配和(4)给出馈电网络必须达到的输入波: 在哪里是单极辐射图，是客观辐射模式，重量是必须加到单极辐射图，为每个单极子之间的距离，（自由空间波长),相移是在th磁单极子,为耦合矩阵。

2．2.12单极子阵列的设计与性能

如本节所述1该应用程序是一个在车辆和基站之间使用WIMAX协议的通信系统。目标是建立一个高增益单极子阵列，在5.47 GHz - 5.725 GHz频段内的方位角平面辐射定向波束。在本节中，我们提出单极子阵列及其馈电网络的完整设计。优化频率为5.6 GHz。

为了在阵列排列方向上实现单瓣辐射，相邻单极子之间的空间必须保持在小于:我们已经选择(24.12 mm)为我们设计。12个单极子放在一个地平面上，地平面的尺寸为= 100毫米= 330毫米(图1)．单极子的长度列于表中1(长度)，直径2.53毫米。单极子和馈电网络端口之间的连接是通过钻穿接地平面的50个Ω同轴过渡来实现的(图)2)．馈源网络被打印回天线的接地面上，在0.508毫米厚的Duroïd 6002基板上，．

单极子阵列被放置在有限的地平面上。在有限地平面尺寸的情况下，众所周知地平面边缘的散射效应改变了辐射模式[7- - - - - -9)(图3.)．首先，干扰在辐射图样上产生极大场和极小场。它们的角度位置显然与地平面大小有关。然后，我们可以在高程面上观察到由于主波束方向与地平不一致而在有限地平面边缘散射引起的经典波束偏差。为了达到客观的辐射模式(我们定义了一个角度)，则应用数组因子(2), 需要强调的是，这些结果是近似的，因为分析认为单极子之间不相互干扰。辐射模式如图所示4(磁单极子-阵列因子)可作为目标辐射图．在下一步，我们使用CST微波工作室来实现整个天线结构的全波分析。例如，图中只绘制了3个单极子辐射图3.．

根据(1),重量的推导和写在表1．因此,图4指出了目标辐射图与单极子辐射图由系数加权的线性组合的相似性．

数据5和6显示单极子天线的散射矩阵。关于图6，当阵列单极子与馈电网络连接时，这些相互作用不应忽略。附近单极子之间的耦合大于−13 dB。

最优权值和输入阻抗()同时进行目标辐射，所有馈电口的匹配可通过(3.), (4)，即散射矩阵,向量。表中给出了这些值1(第4和5列)，得到了优化后的单极子长度。这些设置是为了符合综合程序产生的不同阻抗值，并将馈电配电网的复杂性降到最低。

采用Agilent ADS软件对微带馈电网络进行设计，以实现表中规定的权值和阻抗匹配1．实现的馈电网络如图所示7．

为了进行数值验证，将单极子仿真与馈电网络设计进行了数值连接。使用CST软件，整个结构仿真提供了整个阵列天线(12单极和馈电网络)的性能。计算了辐射方向图、增益和回波损耗。数字8在= 90°的平面上绘制辐射图。这是平行于阵列对齐的平面。我们可以观察到，整个结构模拟与目标辐射图(单极子辐射图的线性组合)非常吻合。因此，馈源网络通过联轴器正常运行。数字9给出了5.6 GHz的三维辐射图;最大模拟指向性为15.6 dB。主波束方向与地平不一致(）;必须用整个天线的倾斜来补偿这种偏差。实际上，对于我们的应用来说，最大增益是向基站方向辐射的，这是至关重要的。

馈电网络输入处的回波损耗如图所示10(模拟)。工作频率带宽小于−15db。数值验证表明，该方法成功地合成了天线的辐射方向图，并实现了天线各端口的阻抗匹配。尽管馈电网络已经过优化以处理在5.6 GHz的天线耦合，我们评估了整个结构(12个单极子连接到馈电网络)从5.47 GHz到5.725 GHz的性能。

在5.47 GHz - 5.725 GHz的工作带宽下，天线增益为14.7 dB(图)11)．指向性和增益差主要是由于带状线电路中的介质损耗造成的。

2．3.测量

制作单极子阵列和馈电网络(图)1和7)．馈电网络被粘回接地面上，并添加了螺钉来固定射频触点。我们已经检查过，螺丝和电路之间的相互作用可以忽略不计。SMA连接器位于输入端口。

测量是在暗室中进行的。被测天线的回波损耗如图所示10(测量)。将这个测量值与模拟值进行比较:两者都是在工作频率带宽上接近−15 dB。与仿真相比，可以观察到50 MHz的轻微差异，但它只代表了由于仿真过程中网格精度或制造公差造成的频率偏移的0.9%。数字12将测量到的辐射方向图与理论辐射方向图在阵列对准平面()．实测增益与预测结果吻合较好。我们可以得出结论，该设计是可靠的。供给网通过联轴器正常运行。模拟增益与实测增益的差值小于0.5 dB。在馈电网络中的金属损失和我们的消声室的不确定精度可以负责这种丢弃。

3.4 × 12单极子阵列二维阵列

性能良好的实验结果验证了12单极线阵的工作原理。12个单极子的线性阵列(沿[oy])在5.6 GHz时提供了14.7 dB的增益。数字9表明在单极面排列阵列的垂直平面[ox]中，辐射图包含低旁瓣。为了增加增益，我们设计了一个4 × 12单极子的二维阵列(图4)13)．四个子数组，每一个子数组在章节中都有描述2，已被用于制造48单极子阵列。因此，4个子数组为以避免这些方向上的干扰。显然，这些子阵列对准允许建设性干扰，因此增加了末端发射方向的增益。

设计了3分贝的功率分压器来连接馈电网络。1.25λ₀(67 mm)足以避免馈电网络线路之间的干扰。4 × 12单极馈电网络的相应布置如图所示14．馈电网络输入处的回波损耗如图所示15．工作频率带宽小于−15db。3 d(图16)辐射图样显示一个非常定向的波瓣。在末端发射方向上获得了20.8 dB的最大方向性。与单子阵(12单极)相比，增加了5.2 dB(图9)．天线在5.47 GHz - 5.725 GHz工作带宽下的增益为20 dB(图)17)．指向性和增益差主要是由于带状线电路中的介质损耗造成的。实际上，插入损耗非常低，因为在5.47 GHz - 5.725 GHz频段，天线反射系数低于−15 dB(图)15)．

4个×12单极子足以满足规格中所要求的增益。天线倾斜15°，以恢复由地平面边缘散射引起的主波束偏差。

4.八木天线

为了检查兴趣发展完整的方法的概念，我们做了另一个天线。提议的天线是八木田天线。

由三个或更多元件组成的八木天线被广泛使用，但由于其参数众多，每个元件有三个变量，长度，间距和导体直径，目前还缺乏深入的研究。几乎所有的多元素Yagis都是根据经验设计的。在[10]，提出了三元件八木天线。研究了具有不同导矢长度和间距的三元件八木半波偶极子的增益。研究结果表明，随着导向器与驱动器间距的减小，导向器的最优长度增大。

已载于[11- - - - - -13反射镜与驱动元件的尺寸比可以在1.1到1.3之间。导向器与驱动元件的尺寸比可在0.8 ~ 0.95之间。反射镜中心与被驱动元件之间的距离应在0.25自由空间波长左右，而导向器中心与被驱动元件之间的距离和导向器自身之间的距离应在0.3 ~ 0.4自由空间波长之间。

天线特性如增益、前后比、波束宽度和中心频率可以通过改变驱动元件的长度、寄生元件的长度、反射器和偶极子之间的间距、导频和偶极子之间的间距来改变[14］．

该天线由一个单极子作为驱动元件，一个反射器和如图所示的11个导向器组成18．为了便于设计，该天线采用本节中描述的相同尺寸的原型2．由于我们的应用只需要一个高增益的辐射方向，所以在天线后半空间禁止辐射。用一些称为“反射器”的非激发元件或垂直金属面可以避免回火辐射。为了简化约束，选择了第二种解决方案。所以，驱动单极子必须与a隔开/4 (13.4 mm)距离反射面。这种分离使得反射波和直达波之间产生一种建设性的干涉。在这种情况下，根据图像理论，天线在发射端方向的增益应该增加3 dB。

导向器中心与被驱动元件之间的分离以及导向器自身之间的分离为0.45自由空间波长(24.12 mm)。导向器长度为6.7毫米(λ₀/8)，直径2.53 mm。这些导向器与地平面短路。驱动器单极子长度为10.32 mm;其直径为4.53毫米。

在5.47 GHz - 5.725 GHz带宽的仿真中，八木天线匹配到−18 dB(图19)．模拟的三维辐射图如图所示20.；在发射端方向，最大方向性为14.3 dB。

为了提高方向性，设计了4×Yagi天线的二维阵列(图2)21)．天线的设计使用与本节中描述的原型相同的尺寸3.对单极天线阵和八木天线阵进行了真实比较。数字22显示了5.6 GHz的辐射模式。我们得到的最大指向性为18.5 dB。单极子阵列与八木天线在笛卡儿平面的辐射比较如图所示23．将辐射模式与在(最大辐射)。我们可以观察到八木辐射图的第一副瓣水平在12 dB左右;比主瓣低−6 dB，这说明八木天线的最大方向性比单极阵列的辐射低2.3 dB。

单极子天线与八木天线相比的优点是(1）本节设计的单极天线阵列3.不需要反射平面来辐射末端发射方向，（2）单极子天线的辐射方向图不包含显著的旁瓣电平，（3）单极子天线的最大辐射水平大于八木天线，

单极天线与八木天线相比的缺点是馈电网络。

5.结论

本文提出了一种带有地平面的低轮廓天线。目的是设计一个高增益天线(单端发射波束)，该天线必须安装在车顶上，以便与远的基站通信。作为第一步，设计了12个单极子的阵列。在这样的结构中，单极子之间的相互作用很强。

在我们的研究中，馈源网络被设计来处理耦合，考虑阻抗和输入波作为参考，以优化天线的效率。

制作了馈电网络和单极子阵列。整个天线测试成功。天线是倾斜的，以返回由地平面边缘的散射引起的主波束偏差。

第二步，为了增加增益，设计了4 × 12单极子阵列。在4.5%带宽的情况下，获得了高于20 dB的增益。

最后，为了检验对发展完整的方法的兴趣为概念，我们做了另一个天线。提议的天线是八木田天线。这种天线的辐射呈高副瓣水平。端火上的最大辐射小于单极子阵列的辐射。总之，由于该方法考虑了耦合，可以很容易地实现具有减少或控制的旁瓣的特定波束指向。

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