0 引言

微帶天線是應(yīng)用最廣泛的天線之一，它具有體積小、重量輕、低剖面、能與載體共形等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為天線領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)之一。采用層疊貼片天線結(jié)構(gòu)可以有效增加微帶天線帶寬；采用口徑耦合的饋電方式可以減少饋電網(wǎng)絡(luò)對(duì)天線輻射單元的耦合。

本文綜合運(yùn)用口徑耦合理論、多層貼片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出一種工作在S波段的寬帶微帶貼片天線單元，并以該天線單元為基礎(chǔ)，采用E面排列形式組成2元線陣。利用電磁仿真軟件對(duì)該天線陣進(jìn)行了仿真優(yōu)化。文中給出了仿真結(jié)果，證明該天線陣具有寬頻帶、低交叉極化等優(yōu)良性能。

1 天線單元設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的天線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。單元采用有利于展寬天線頻帶的雙層方形貼片結(jié)構(gòu)，下層為激勵(lì)貼片，尺寸為46 mm；上層為寄生貼片，尺寸為40 mm。第一、二層介質(zhì)板使用介電常數(shù)較低的泡沫材料，以利于場(chǎng)的輻射，同時(shí)也降低了微帶天線的Q值，進(jìn)一步增加了天線的帶寬。第一層介質(zhì)板厚度為11 mm，第二層介質(zhì)板厚度為4 mm。第三層介質(zhì)板為饋電層，使用介電常數(shù)較高的環(huán)氧樹(shù)脂材料，以利于場(chǎng)的束縛，厚度為1 mm。第二、三層介質(zhì)板之間為開(kāi)縫接地板，在中心位置刻有一條矩形縫，縫寬為6 mm，縫長(zhǎng)為24 mm。第三層介質(zhì)板的下方是饋電網(wǎng)絡(luò)，微帶饋線采用中心正饋的方式，以增強(qiáng)輻射貼片與饋線之間的耦合，饋線寬度為1 mm。

仿真得到的天線單元的VSWR如圖2所示。在2．22～2．72 GHz的頻率范圍內(nèi)VSWR小于2，相對(duì)阻抗帶寬為20％，與相對(duì)阻抗帶寬僅為5％的單層貼片微帶天線相比，帶寬增加了15％。該天線單元的實(shí)際增益達(dá)到了8．4 dB，如圖3所示。

2 天線陣列的設(shè)計(jì)

為了獲得較高增益，必須對(duì)微帶天線單元進(jìn)行組陣。本文以上述天線單元為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出了2元微帶線陣。陣列結(jié)構(gòu)如圖4所示，陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)采用并饋形式，兩個(gè)陣元之間采用E面排列形式，通過(guò)一個(gè)等幅同相微帶T型功分器連接組成。其中，微帶T型功分器采用多節(jié)阻抗變換段進(jìn)行阻抗匹配以便展寬頻帶。本文設(shè)計(jì)的微帶T型功分器由兩級(jí)阻抗變換段組成，如圖5所示。

第一級(jí)阻抗變換段長(zhǎng)度為16 mm，微帶線寬度為2．4 mm；第二級(jí)阻抗變換段長(zhǎng)度為15 mm，微帶線寬度為0．89 mm。圖6為該微帶T型功分器的反射系數(shù)曲線圖，可以看出采用了兩級(jí)阻抗變換段的微帶T型功分器在較寬的工作頻帶內(nèi)保持了較小的反射系數(shù)。研究表明：當(dāng)d／λ0(d為陣元之間的間距，λ0為中心頻率點(diǎn)的波長(zhǎng))取0．7～0．8時(shí)，增益和方向系數(shù)達(dá)到最佳。文中天線陣元之間的間距取84 mm，約0．7λ0。此外，設(shè)計(jì)中饋線轉(zhuǎn)彎處均采用45°彎角，并充分考慮了饋電網(wǎng)絡(luò)中不必要的輻射和損耗對(duì)天線增益帶來(lái)的影響。

基于以上設(shè)計(jì)，利用電磁仿真軟件CST對(duì)該天線陣列進(jìn)行了仿真和優(yōu)化。

圖7給出了陣列端口的駐波比。

圖8給出了中心頻率點(diǎn)處陣列的實(shí)際增益方向圖。

圖9給出了交叉極化電平隨頻率變化曲線。

以上仿真結(jié)果表明：該天線陣實(shí)際增益達(dá)到11．9 dB；在2．27～2．78 GHz頻率范圍內(nèi)VSWR小于2，相對(duì)帶寬為20．4％；在此頻率范圍內(nèi)E面交叉極化電平小于-27 dB，H面交叉極化電平小于-26 dB；在中心頻率點(diǎn)處E面交叉極化電平為-31 dB，H面交叉極化電平小于-29 dB。由此可見(jiàn)，該天線陣列具有寬頻帶、低交叉極化等優(yōu)良性能。

3 結(jié)論

微帶天線的主要缺點(diǎn)是頻帶較窄，獲得較寬的工作頻帶一直是該領(lǐng)域研究中的一個(gè)難點(diǎn)。本文綜合運(yùn)用口徑耦合理論、層疊貼片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種寬帶微帶貼片天線單元及兩元陣列結(jié)構(gòu)。口徑耦合的饋電方式以及層疊貼片天線結(jié)構(gòu)可以獲得較寬的頻帶。仿真結(jié)果證明該微帶天線陣列具有寬頻帶、低交叉極化等優(yōu)良性能，有良好的應(yīng)用前景。

作者：趙后亮，尹家賢