何润杰 王彦
南华大学 电气工程学院 湖南衡阳 421001
摘要；无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。本文设计了一款工作频率为5.8GHZ的平板天线，应用于微波感应器当中。天线的辐射源设计为方形，边长是四分之一波长，可以使得微波感应器的各个方向的感应距离近乎相等。通过使用金属墙对天线的处理，可以达到拓展波束角宽度的目的，从而实现微波感应器方向性的变化。在微波感应器中，天线是一个至关作用的组成部件。拓宽天线的波束角，对于微波感应器的感应区域控制将会进一步提升，增加其的适用范围。
关键词：天线；波束角；微波
引言
近年来，研究人员对于天线波束角的研究越来越深入，对于如何拓宽天线波束角，也取得了很大的进展。在微波感应器中，天线的主瓣宽度很大程度决定了其辐射区域。因此，展开天线的波束角在工程中也是非常具有实际意义。目前，在控制波束角的天线中，透镜天线可以取得比较好的效果。透镜天线是利用透镜的聚焦特性，将点源或线源发出的球面波或柱面波转换为平面波束的天线，通过合理设计透镜表面形状和折射率，调节电磁波的相速以获得辐射口径上的平面波前。依靠表面形状实现聚焦功能的透镜主要包括介质减速透镜和金属加速透镜，其制作材料是均一的，通过改变不同路径光束在透镜中行走的距离来改变光程。还有一类是渐变折射率透镜，其中最引人注目的当属龙伯透镜{1}。
本文中，制作设计了一款工作频率在5.8GHZ的平板天线，通过对天线的辐射源的周边进行金属（铜）墙处理，以此来改变波束角。同时，这种天线可以非常适用于微波感应器当中。
1 平板天线的仿真设计
1.1天线结构设计
本文采用的平板天线工作频率在5.8GHZ，结构由一层接地面，一层介质层，一层辐射源构成，接地面和辐射源采用铜皮，介质层采用FR_4材料（玻璃纤维环氧树脂）。通过高频电磁仿真软件来确定天线的增益、损耗、波束角等参数。天线工作在5.8GHZ，辐射源在极化方向的长度应设计为四分之一波长，即：边长为四分之一波长的方形铜片。通过高频电磁仿真软件（HFSS），可以得出天线各项参数。
下图为仿真结果：图一为天线增益，该天线的增益接近7dB,可以保证最基本的感应距离；图二为天线回波损耗，可以得出天线的最佳点工作频点是5.83GHZ，s（1,1）为-23.34；图三为史密斯园图，通过该图，可以看出来天线的阻抗匹配也到达了一个不错的状态；图四可以清楚得看出天线辐射的方向图，波束角（主瓣宽度）。
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2平板天线波束角（主瓣宽度）展开
天线的主瓣宽度：是指方向图主瓣上两个半功率点，即场强下降到最大值的0.707倍处或分贝值从最大值下降3dB处对应的两点之间的夹角，有时又称为3dB波束宽度或半功率波束宽度（Half-Power BeamWidth，HPBW）。
如今，众多天线工作者致力研究宽波束微带天线，1997年，Toko America Inc提出采用高介电常数的微带介质天线。2002年，国内何海丹提出的微带介质天线，将介质板延伸至接地面，天线方向图有基板末端辐射和贴片产生的辐射构成{3}。2012年，C.Wu等人提出在圆极化微带天线单元的两个轴线方向分别加载金属柱，并与地连接，通过圆极化微带天线单元与金属柱之间的电磁耦合提高天线的半功率波束宽度{4}。2014年，华南理工大学Z K Pan利用寄生圆环形成双层结构，利用圆形辐射环的最大辐射方向在水平方向，结合微带天线最大辐射方向在竖直方向的特性，使得天线具备140°的波束空间覆盖能力{5}。此外，展开波束角的方法还有：加载三维接地板结构、螺旋槽天线、Sinuous天线{7}、加载金属线结构、微带天线阵等。
2.1辐射源周围加金属墙展开波束角
上面介绍的平板天线辐射源的尺寸是小于基板和接地面的尺寸，附加的金属墙有足够的空间接在基板上面。将两片厚度为0.5mm、高度为13mm的金属墙加在平板天线极化方向的两端。如图五。
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通过高频电磁仿真软件（HFSS）对图五模型进行仿真的结果分析，可以得出来经过金属墙处理后，增益基本上未发生变化，如图六。金属墙加在极化方向，有助于增强能量的汇集度，同时也对主瓣宽度。
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通过图六，图七可以看出天线增益没有发现明显变化，但是天线的整体辐射图发生变化，可以形象得把辐射图看成一个“苹果”。很显然，经过金属墙处理之后的天线，它对应的“苹果”变扁了，由此可以得出波束角确实发生了变化。再通过HFSS，观测一下其他参数。
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图八得出再加入金属墙以后，天线工作的最佳频点和损耗都有不同程度的变差，但是频点也还是在5.8GHZ附近，损耗为-11。实际应用中，对辐射源尺寸和馈电点位置进行微调，天线还是可以正常工作。此时，天线的辐射范围已经发生了变化，所以可以据此，在工程应用中提高天线的适用范围。
3在微波感应器中的应用
微波是一种波长在 1mm-1m 之间的电磁波，相应的频率范围是 300GHz-300MHz 之间。分为分米波（频率 300MHz-3GHz），厘米波（频率 3GHz-30GHz），毫米波（30GHz-300GHz）。常用的微波传感器的波段 是 C 波 段：5.8GHz，X波段：10.525G，K波段：24G，U 波段：60GHz，V波段：77GHz。
微波感应器是一种利用微波的特性来测量目标运动、距离、速度、方向、是否存在等信息的一种传感器。其基本原理是微波通过发射天线辐射到自由空间，当自由空间的电磁波遇到移动的物体时会在移动物体的表秒产生散射现象，部分电磁能量通过移动物体表面的反射到达探测器的接收天线，接收天线收到反射微波信号后，通过信号处理线路检测反射波的电磁参数，实现微波感应功能。
上述的天线具有收发一体的功能，大致工作原理：通过振荡回路产生5.8Ghz的信号，再由天线发射出去，在空间中遇到物体，天线辐射的电磁波反射回来，通过天线接收，经过混频电路，然后经过低通放大电路，将信号传给单片机，进行相应的控制。图九表示天线发射信号的过程，图十表示天线接收信号的过程。
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上述天线可以适用于微波感应器，在高频电磁仿真软件中，可以清楚得看出它的辐射图是比较接近圆形。说明在实际应用中，使用这种天线的微波感应器的感应距离是比较平均的，而且它的增益也有7个多dB，也可以达到7米以上的感应距离。在前文中讲到，给辐射源周围加金属墙，通过高频电磁仿真软件，可以看出天线的辐射方向图变“扁了”，说明它的能量发生了变化，在实际中的变化就是感应距离发生变化，比如前后距离变远了，左右距离变近了。而且在加了金属墙处理以后，增益没有出现很大幅度变化，只是在原有的基础上下降了一些，不会对感应距离有太大的影响。所以在某些特定的场合，需要某些方向的感应距离能够远一些。经过金属墙处理，理论上可以达到这种效果。
在实际应用中，这种平板天线是非常适用于微波感应器。天线的几个重要参数，它都表现得不错，增益、损耗、阻抗匹配等等都达到了一个不错的效果。
4结论
本文设计一个款平板天线，主要用于微波感应器。笔者通过在深圳迈睿智能科技公司学习的一年，利用公司的设备对这款天线进行了全方位的测试。微波感应器不论感应距离还是感应方向，相对于仿真结果还是非常相似的。而且实际制作出来的天线通过网络分析仪也进行了测试，实际天线的损耗和阻抗匹配两个重要的参数也比较吻合仿真结果。表一是时机天线应用在微波感应器中的测试结果，（ABCD分别表示制作的样机，测试环境：微博感应器置于三米高的天花板）。
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目前，就如何展开波束角还是存在一些问题，金属墙处理的天线在高频电磁仿真可以体现出展开波束角的特点。在实际应用中，仍然会出现一些“失配”的问题，导致天线的性能出现问题。所以，在接下来会继续研究展开波束角的其他方法。
参考文献
[1]曹尚文,周永江,程海峰.变换光学透镜天线研究进展[J].中国光学,2017,10(02):164-175.
[2]?TOKO?AMERICA?INC.,?A?miniature?patch?antenna?for?GPS?application[J] , Microwave Journal, Aug.1997, 116～118.
[3]何海丹.新型宽波束圆极化天线——微带介质天线[J].电讯技术,2003(01):48-50+54.
[4]Wu C,Han L ,YangF,et al. Broad beamwidth circular polarisation antenna: Microstrip-monopole antenna[J]. Electronics Letters, 2012, 48(19):1176-1178.
[5]Z K Pan W X Lin. Compact Wide-Beam Circularly-Polarized Microstrip Antenna With a Parasitic Ring for CNSS Application[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2014, 62(5):2847-2850.
[6]任辉,胡红芬.Sinuous天线[J].计算机与网络,2002(11):50-52.