X波段寬帶微帶陣列天線(xiàn)設計

1引言

隨著(zhù)現代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，天線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展也是日新月異，天線(xiàn)形式更是層出不窮。但一直以來(lái)，微帶天線(xiàn)以其剖面薄、重量輕、體積小、成本低和易于加工等優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越得到研究者的青睞。但是，微帶天線(xiàn)最嚴重的缺陷是頻帶窄，其相對帶寬一般只有0.7%-7%，這限制了它在許多無(wú)線(xiàn)通信系統中的應用。因此，研究微帶天線(xiàn)的寬頻帶特性一直是天線(xiàn)工作者十分關(guān)心的問(wèn)題。

在目前常用的展寬微帶天線(xiàn)帶寬的方法中，采用縫隙耦合饋電的雙層微帶天線(xiàn)是一種常用的結構。該天線(xiàn)在展寬天線(xiàn)帶寬的同時(shí)，具有結構穩定、剖面低、重量輕等結構特點(diǎn)，更重要的是，它十分適合作為陣列天線(xiàn)的天線(xiàn)單元使用：由于饋電系統與天線(xiàn)系統不在同一平面，并用地板隔開(kāi)，一方面使得饋電網(wǎng)絡(luò )較為簡(jiǎn)單，另一方面避免了饋電網(wǎng)絡(luò )對天線(xiàn)的寄生輻射影響。

本文設計的X波段寬帶微帶陣列天線(xiàn)的天線(xiàn)單元即是采用這種縫隙耦合饋電的雙層微帶天線(xiàn)。為了減小背向輻射，采用帶狀線(xiàn)作為天線(xiàn)單元的饋電線(xiàn)和陣列的饋電網(wǎng)絡(luò )。由于設計需求，陣列中心缺失單元，屬于不規則陣列，因此采用遺傳算法對陣列的權值分布進(jìn)行了全局優(yōu)化，以得到較低的副瓣電平。為了給天線(xiàn)陣列饋電，設計了一種新型的寬帶同軸線(xiàn)-帶狀線(xiàn)轉換器。

對天線(xiàn)進(jìn)行了設計與仿真，并制作了天線(xiàn)實(shí)物，進(jìn)行了測試。測試結果表明該天線(xiàn)的駐波帶寬（VSWR2）達到了18%。在工作頻帶范圍（8.5%）內，增益大于22dBi，副瓣電平優(yōu)于-18dB。測試與仿真結果吻合良好。

2天線(xiàn)的設計

2.1天線(xiàn)單元的設計

由于傳統的微帶貼片天線(xiàn)難以滿(mǎn)足相對工作帶寬8.5%的要求，因此天線(xiàn)單元采用了縫隙耦合饋電的雙層微帶天線(xiàn)。為減小地板開(kāi)縫造成的后向輻射較大的問(wèn)題，采用帶狀線(xiàn)為天線(xiàn)饋電。圖1為天線(xiàn)單元的結構示意圖。其中，第1、3、4、5層介質(zhì)使用厚度為0.508mm的Rogers5880（εr=2.2）,第2層介質(zhì)使用厚度為0.8mm的Fr-4材料（εr=4.4），每?jì)蓪又g都存在厚度為0.11mm的半固化片（εr=4.4）用于粘合。

（a）側視圖

（b）俯視圖

圖1天線(xiàn)單元結構示意圖

另外，由于帶狀線(xiàn)地板上的縫隙破壞了帶狀線(xiàn)的對稱(chēng)性，縫隙在帶狀線(xiàn)兩地板間激勵起了高次模（平行平板模式），大大增加了單元間的互耦，從而影響陣列方向圖形狀。因此，利用過(guò)孔如圖1（b）所示地連接帶狀線(xiàn)上下兩層地板，使平行平板模式在過(guò)孔和上下地板間轉化為波導的模，形成一個(gè)諧振腔，而穿過(guò)過(guò)孔的帶狀線(xiàn)傳輸TEM模不受影響，從而減小了互耦的影響[7]。天線(xiàn)單元在中心頻率的增益為5.5dBi。

2.2陣列的優(yōu)化設計

根據設計要求，陣列中心缺失單元，屬于不規則陣列，其陣列布局如圖2所示。傳統的陣列綜合方法，如泰勒綜合法，是基于規則陣列的，無(wú)法有效地對該陣列進(jìn)行副瓣電平抑制。而采用遺傳算法[8]對該陣列的幅度分布進(jìn)行全局優(yōu)化是較優(yōu)綜合算法。通過(guò)合理設計適應度函數，遺傳優(yōu)化算法可以更為有效地抑制不規則陣列的副瓣電平。圖3為該陣列在不同綜合方法下的方向圖比較。在采用均勻分布時(shí)，副瓣電平為-15dB；泰勒分布時(shí)，為-17dB；遺傳算法時(shí)，為-21dB。

圖2陣列布局

圖3綜合方法比較

2.3寬帶同軸線(xiàn)-帶狀線(xiàn)轉換器的設計

由于天線(xiàn)單元采用帶狀線(xiàn)進(jìn)行饋電，而陣列天線(xiàn)的終端接口要求為SMA接頭，因此需要設計寬帶同軸線(xiàn)-帶狀線(xiàn)轉換器。圖4為本設計中應用的一種新型的轉換器。該器件便于在多層微帶結構中使用，可與雙層微帶天線(xiàn)采用相同工藝整體制備。通過(guò)將同軸探針與帶狀線(xiàn)末端利用過(guò)孔直接相連，并在轉換處去掉適當大小的帶狀線(xiàn)上層地板，可以很好地實(shí)現同軸線(xiàn)-帶狀線(xiàn)間的寬帶轉換。采用ANSYSHFSS進(jìn)行仿真設計，圖5為這種轉換器的仿真結果?？梢?jiàn)這種轉換器在8~11GHz的頻帶范圍內保證了很低的回波損耗特性和插入損耗特性。

（a）側視圖

（b）俯視圖

圖4寬帶同軸線(xiàn)-帶狀線(xiàn)轉換器結構圖