12.5GHz 4×4微帶天線(xiàn)陣列的設計

　　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，小型化、大容量的通信系統成為現在以至于為來(lái)的主要發(fā)展目標。由于雙極化天線(xiàn)具有同頻段的雙通道通信、提高通信容量、實(shí)現雙工操作、可以提高系統靈敏度、抗多徑效應等性能，從而日益得到人們的青睞。由于微帶貼片天線(xiàn)在饋電方式和極化制式的多樣化，以及饋電網(wǎng)絡(luò )、有源電路集成一體化等方面具有很多的優(yōu)點(diǎn)，從而采用雙極化天線(xiàn)成為提高通信容量的一種比較實(shí)際的做法。目前常用的雙極化工作方式主要有兩類(lèi)，第一就是利用方貼片作為輻射單元，對方貼片天線(xiàn)采用正交邊雙饋電就能激勵一對極化方向相互垂直的輻射波。第二就是利用不同層的天線(xiàn)陣列分別實(shí)現不同的極化，缺點(diǎn)是結構復雜，制作困難，造價(jià)高。我們采用在同一平面上實(shí)現兩種極化方式，貼片單元的饋電方式卻不用改變。本文就是設計實(shí)現了這種雙極化微帶天線(xiàn)陣列的組陣單元-4×4天線(xiàn)陣列。

　　1 微帶天線(xiàn)陣列的設計

　　本文采用的貼片天線(xiàn)的基本結構如圖1所示，其中圖(a)為天線(xiàn)結構，由貼片層、介質(zhì)層和接地層組成。圖(b)為微帶貼片單元的基本結構。通過(guò)調整微帶貼片單元的饋電方式就可以實(shí)現水平、垂直極化兩種極化方式。圖(c)為最基本的組陣單元2×2的結構圖。

　　圖1 貼片天線(xiàn)的基本結構

　　設計過(guò)程中貼片層和接地層都采用銅，介質(zhì)層采用介電常數為2.2的Rogers RT/duroid 5880。根據天線(xiàn)工作的中心頻率12.5GHz，微帶貼片天線(xiàn)單元的長(cháng)和寬、反饋部分的長(cháng)寬、組陣單元之間的阻抗匹配以及其他相關(guān)數據都可以通過(guò)計算或者仿真優(yōu)化得到。根據以上的計算及仿真數據，我們制成了天線(xiàn)的PCB板，4×4微帶天線(xiàn)陣列的實(shí)物圖如圖2所示。

　　圖2 4×4微帶天線(xiàn)陣列的實(shí)物圖

　　2 微帶天線(xiàn)陣列的仿真和測試結果

　　我們通過(guò)Ansoft HFSS仿真軟件對天線(xiàn)陣列首先進(jìn)行了仿真計算，圖3為4×4微帶天線(xiàn)陣列駐波和增益的仿真圖。從左圖的駐波仿真結果中，可以看到天線(xiàn)陣列在12.5GHz時(shí)的駐波為1.2左右;從右圖的增益仿真結果中可以看到，天線(xiàn)陣列的增益可以達到20dB左右。然后將制成的PCB板拿到微波暗室中對其進(jìn)行實(shí)際測試(暗室的長(cháng)、寬、高分別為15m、9m和9m，用于測試的發(fā)送天線(xiàn)和接收天線(xiàn)的距離為10m，測試天線(xiàn)距離地面的高度為2.5m)。實(shí)際測試結果分別如圖4、圖5、圖6所示。其中圖4為天線(xiàn)陣列的駐波測試結果，圖5為天線(xiàn)陣列分別在12.25GHz、12.5GHz、12.75GHz時(shí)的E面方向圖。圖4為天線(xiàn)陣列分別在12.25GHz、12.5GHz、12.75GHz時(shí)的H面方向圖。表1為天線(xiàn)陣列在H面的實(shí)際測試數據。

　　圖3 4×4微帶天線(xiàn)陣列駐波和增益的仿真圖

　　圖4 4×4天線(xiàn)陣列的駐波實(shí)測圖

　　表1 天線(xiàn)陣列在H面的實(shí)際測試數據。

　　圖5 4×4天線(xiàn)陣列在12.25GHz、

　　12.5GHz、12.75GHz時(shí)的E面方向圖。

　　圖6 4×4天線(xiàn)陣列在12.25GHz、12.5GHz、

　　12.75GHz時(shí)的H面方向圖。

　　從實(shí)際測試結果中，我們可以看到12.5GHz時(shí)天線(xiàn)陣列的駐波小于2，中心點(diǎn)稍微有點(diǎn)偏移，實(shí)際的增益測試結果為19.24 dBi。實(shí)測結果與仿真結果之間雖然存在一定的差異，但是測試結果基本滿(mǎn)足設計的需求。這些差異的存在可能是天線(xiàn)制版因素，測試環(huán)境、測試方案、電纜接頭損耗等等實(shí)際狀況引起，這是實(shí)際制作中不能避免的因素。

　　3 結論

　　本文設計的雙極化相控陣天線(xiàn)基本組陣單元通過(guò)仿真、制作、加工和測試后，所得結果滿(mǎn)足實(shí)際的設計需求。為我們在同一層面上實(shí)現雙極化天線(xiàn)的設計打下了基礎，為以后新型雙極化相控陣天線(xiàn)的研究提供了可靠的理論和實(shí)踐依據。