ＤＯＩ：１０．１３８７８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｎｕｉｓｔ．２０１９．０１．０１１张云阳１㊀曹文权１㊀钱祖平
制作交通工具
摘要
本文提出了一个基于ＴＭ５０模的高增益方形贴片天线．在ＴＭ５０谐振模式下，天线表面会有２段与辐射边缘相反的电流，通过在天线表面开槽，可使贴片表面的２段反相电流各自形成回路，从而很好地去除ＴＭ５０模的４个旁瓣．与此同时，由于削弱了反相电流，开槽后的天线是由３段同相电流叠加而成，这就等同于３个工作于ＴＭ１０模的天线单元共同作用的效果．通过调节槽型缝隙，天线单元最大增益可达到１３ ３ｄＢ． 关键词
ＴＭ５０模；低旁瓣；高增益
中图分类号ＴＮ８２０
文献标志码Ａ
收稿日期２０１８⁃１１⁃３０
资助项目国家自然科学基金（６１８７１３９９，６１４０１５０６）
钱祖平（通信作者），男，博士，教授，博士生导师，主要研究微波技术．ｑｚｐ８１１＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ１陆军工程大学通信工程学院，南京，２１０００７０㊀引言
特效三光脚气粉㊀㊀天线作为无线通信系统之间信息传递的重要组成部分，直接影响无线通信系统的整体性能．微带天线因为其剖面低㊁加工制造简单㊁易共形等特点，被广泛应用于军事㊁民用等领域．但是，对于远程通信系统，为了补偿路径损耗等问题，对天线的增益提出了很高的要求．为了获取较高的增益，传统方法是单元组阵技术．然而，对于增益较小的天线单元，不但需要更多的单元来满足高增益的要求，而且增加了制作复杂度和加工成本．
针对天线单元增益较低的问题，目前已有一些方案进行解决．例如文献［１⁃３］采用反射面等结构来提高天线增益，但是这无疑增大了天线的剖面；文献［４⁃６］采用堆叠形式或采用高介电常数介质基板，而这种方法只是基于天线整体面积和介质层的影响，并不是直接提高辐射单元的增益．为了在不增加天线剖面高度及破坏天线原有物理参数的前提下有效提高天线单元增益，使用高次模作为天线辐射模式成为一种有效途径．但是，由于高次模存在较大的旁瓣，这将对实际应用产生较大的影响．
为充分利用高次模的高增益特性，同时减小高次模旁瓣对天线性能的影响，本文以ＴＭ５０模作为天线辐射模式．在分析天线表面的场分布后，通过对天线表面进行开槽，很好地消除了ＴＭ５０模的４个旁瓣，同时获得了较高的增益．
１㊀ＴＭ５０模式场分析
银行联动门通过如图１ａ所示的电流分布可以得到，在ＴＭ５０谐振模式下，贴片表面形成５段电流，中间位置存在与２条辐射边缘相反的电流区域．因为ＴＭ５０模的辐射方向图是由５段电流产生的场在远场叠加的结果，所以，如果能够消除贴片表面的反向电流，就能很好地解决ＴＭ５０模的旁瓣问题．
如图１ｂ所示，通过实验发现，在贴片表面２段反相电流的位置开槽，可以使这２段电流分别形成回路，使其产生较小的辐射，从而使得ＴＭ５０模的辐射方向图是由３段同相电流叠加而成．所以，利用这样的方法不但可以有效减小ＴＭ５０模的旁瓣，而且还能获得很高的增益．但是，从图２ａ可以观察到，由于中间槽使得Ｈ面电场分布变得不均匀，使得天线Ｈ面方向图变宽，从而在一定程度上影响了天线增益的提
㊀㊀㊀
㊀
图１㊀ＴＭ５０模电流分布
Ｆｉｇ １㊀ＴｈｅｃｕｒｒｅｎｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｏｆＴＭ５０
ｍｏｄｅ
射频调制器图２㊀ＴＭ５０模电场分布
Ｆｉｇ ２㊀ＴｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｐａｔｔｅｒｎｏｆＴＭ５０ｍｏｄｅ
高．为解决这一问题，如图２ｂ所示，通过在中间槽的两侧加入４条对称边缘槽，以此平衡被破坏的场分布，从而使得在消除ＴＭ５０模旁瓣的同时又不会损失天线增益．
２ 天线单元
天线结构如图３所示，基板选取介电常数为２ ２的Ｒｏｇｅｒｓ－５８８０，采用同轴馈电的方式对
方形贴片进行馈电．
首先分析在贴片反向电流处开槽对ＴＭ５０模旁瓣和天线增益的影响．图４ａ㊁４ｂ分别给出了不同长度的槽所对应的Ｅ面㊁Ｈ面方向图．从图４ａ可以观察到，在没有开槽的情况下，天线具有２个与主瓣相同辐射强度的旁瓣和２个较低的旁瓣．随着开槽长度的增加，方向电流的强度逐渐被削弱，从而使得旁瓣越来越低．但是，如图４ｂ所示，随着开槽长度的增加，Ｈ面方向图的宽度也随之变宽，这将在一定程度上导致天线的增益下降
．
图３㊀天线单元
Ｆｉｇ ３㊀Ｔｈｅａｎｔｅｎｎａｅｌｅｍｅｎｔ
８５张云阳，等．基于ＴＭ５０模的高增益贴片天线．
ＺＨＡＮＧＹｕｎｙａｎｇ，ｅｔａｌ．Ｈｉｇｈ⁃ｇａｉｎｐａｔｃｈａｎｔｅｎｎａｂａｓｅｄｏｎＴＭ５０ｍｏｄｅ．
图４㊀中间槽的长度对Ｅ面和Ｈ面方向图的影响
泪血症
Ｆｉｇ ４㊀ＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｍｉｄｄｌｅｓｌｏｔｏｎｔｈｅＥｐｌａｎｅａｎｄＨｐｌａｎｅ
为改善因贴片中间开槽后所导致的天线增益下降问题，图５ａ㊁５ｂ分别展示了中间槽长度不变的前提下，在中间槽两侧开４条对称槽对天线方向图的影响．如图５ｂ所示，随着４条边缘槽长度的增加，Ｈ
面的宽度逐渐变窄，这使得增益有所上升．而且，从图５ａ所示的Ｅ面方向图可以看到，边缘槽几乎没有影响到旁瓣消除的效果
．
图５㊀边缘槽的长度对天线Ｅ面和Ｈ面方向图的影响
Ｆｉｇ ５㊀ＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｅｄｇｅｓｓｌｏｔｏｎｔｈｅＥｐｌａｎｅａｎｄＨｐｌａｎｅ
㊀㊀根据以上分析，可以对天线单元进行优化．通过调节中间槽以及边缘槽的长度，得到低旁瓣㊁高增益的天线单元．天线最大增益为１３ ３ｄＢ．与此同时，通过调节馈电点的位置，获得良好的匹配效果．天线尺寸参数如表１所示，天线方向图如图６ａ所示，Ｓ１１曲线如图６ｂ所示．
表１ 天线尺寸参数
Ｔａｂｌｅ１㊀Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐａｎｔｅｎｎａ
ｍｍ
ＬＬＳ１ＬＳ２ＬＷＨ
２６
１６
４
０ ５
０
５０８
图６㊀天线辐射方向图和Ｓ１１曲线
Ｆｉｇ ６㊀ＴｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｔｈｅａｎｔｅｎｎａａｎｄＳ１１
９
５学报（自然科学版），２０１９，１１（１）：５７⁃６０
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０１９，１１（１）：５７⁃６０
３㊀结束语
本文针对贴片天线单元增益较小的问题，分析了高阶模式对提高天线增益的可行性．利用ＴＭ５０模作为辐射模式，在有效去除单元旁瓣㊁不影响天线实际应用的前提下，在一定程度上提高了天线单元的增益，为后续高增益天线的研究提供了思路．
参考文献
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Ｈｉｇｈ⁃ｇａｉｎｐａｔｃｈａｎｔｅｎｎａｂａｓｅｄｏｎＴＭ５０ｍｏｄｅ
ＺＨＡＮＧＹｕｎｙａｎｇ１㊀ＣＡＯＷｅｎｑｕａｎ１㊀ＱＩＡＮＺｕｐｉｎｇ１
１ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＡｒｍｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰＬＡ，Ｎａｎｊｉｎｇ㊀２１０００７
Ａｂｓｔｒａｃｔ㊀Ｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙ，ａｈｉｇｈ⁃ｇａｉｎｓｑｕａｒｅｐａｔｃｈａｎｔｅｎｎａｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＴＭ５０ｍｏｄｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｏｗｉｎｇｔｏｔｈｅｏ
ｐｅｒａ⁃ｔｉｏｎｏｆｔｈｅＴＭ５０ｍｏｄｅ，ｔｈｅｒｅｉｓａｐａｉｒｏｆｒｅｖｅｒｓｅｄ⁃ｐｈａｓｅｃｕｒｒｅｎｔｓｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｒａｄｉａｔｉｎｇｅｄｇｅｓｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅａｎｔｅｎｎａ．Ｂｙｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｓｌｏｔｓａｌｏｎｇｔｈｅｃｅｎｔｒａｌｌｉｎｅｏｆｔｈｅｐａｔｃｈ，ｅａｃｈｏｆｔｈｅｔｗｏｒｅｖｅｒｓｅｄ⁃ｐｈａｓｅｃｕｒ⁃ｒｅｎｔｓａｒｅｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄｔｏｃｉｒｃｕｌａｔｅｗｉｔｈｌｉｔｔｌｅｒａｄｉａｔｉｏｎ；ｔｈｕｓ，ｔｈｅｆｏｕｒｓｉｄｅ⁃ｌｏｂｅｓｏｆｔｈｅＴＭ５０ｍｏｄｅｃａｎｂｅｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄｗｅｌｌ．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ，ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｒｅｖｅｒｓｅｄ⁃ｐｈａｓｅｃｕｒｒｅｎｔｉｓｗｅａｋｅｎｅｄ，ｔｈｅｓｌｏｔｔｅｄａｎｔｅｎｎａｉｓｓｕｐｅｒｐｏｓｅｄｂｙｔｈｒｅｅｉｎ⁃
ｐｈａｓｅｃｕｒｒｅｎｔｓ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅａｎｅｆｆｅｃｔｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｔｏｔｈａｔｏｆｔｈｒｅｅａｎｔｅｎｎａｅｌｅｍｅｎｔｓｏｐｅｒａｔｉｎｇｕｎｄｅｒｔｈｅＴＭ１０ｍｏｄｅ．Ｂｙａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅｓｌｏｔｓ，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｇａｉｎｏｆｔｈｅａｎｔｅｎｎａｃａｎｒｅａｃｈ１３ ３ｄＢ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ㊀ＴＭ５０ｍｏｄｅ；ｌｏｗｓｉｄｅｌｏｂｅｓ；ｈｉｇｈｇａｉｎ
０
６张云阳，等．基于ＴＭ５０模的高增益贴片天线．
ＺＨＡＮＧＹｕｎｙａｎｇ，ｅｔａｌ．Ｈｉｇｈ⁃ｇａｉｎｐａｔｃｈａｎｔｅｎｎａｂａｓｅｄｏｎＴＭ
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ｍｏｄｅ．
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