技術(shù)：基于X波段研發(fā)的寬帶微帶陣列天線設(shè)計(jì)分析

現(xiàn)代無(wú)線通信飛度發(fā)展，技術(shù)革新日新月異，天線形式推陳出新。但一直以來(lái)，微帶天線以其剖面薄、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，微帶天線最嚴(yán)重的缺陷是頻帶窄，其相對(duì)帶寬一般只有0.7%-7%，這限制了它在許多無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。因此，研究微帶天線的寬頻帶特性一直是天線工作者十分關(guān)心的問題。

在目前常用的展寬微帶天線帶寬的方法中，采用縫隙耦合饋電的雙層微帶天線是一種常用的結(jié)構(gòu)。該天線在展寬天線帶寬的同時(shí)，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、剖面低、重量輕等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，更重要的是，它十分適合作為陣列天線的天線單元使用：由于饋電系統(tǒng)與天線系統(tǒng)不在同一平面，并用地板隔開，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(duì)天線的寄生輻射影響。

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

對(duì)天線進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真，并制作了天線實(shí)物，進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明該天線的駐波帶寬(VSWR<2)達(dá)到了18%。在工作頻帶范圍(8.5%)內(nèi)，增益大于22dBi，副瓣電平優(yōu)于-18dB。測(cè)試與仿真結(jié)果吻合良好。

天線的設(shè)計(jì)

1.1 天線單元的設(shè)計(jì)

由于傳統(tǒng)的微帶貼片天線難以滿足相對(duì)工作帶寬8.5%的要求，因此天線單元采用了縫隙耦合饋電的雙層微帶天線。為減小地板開縫造成的后向輻射較大的問題，采用帶狀線為天線饋電。圖1為天線單元的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，第1、3、4、5層介質(zhì)使用厚度為0.508mm的Rogers 5880(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?jī)蓪又g都存在厚度為0.11mm的半固化片(εr=4.4)用于粘合。

圖1 天線單元結(jié)構(gòu)示意圖

另外，由于帶狀線地板上的縫隙破壞了帶狀線的對(duì)稱性，縫隙在帶狀線兩地板間激勵(lì)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)所示地連接帶狀線上下兩層地板，使平行平板模式在過(guò)孔和上下地板間轉(zhuǎn)化為波導(dǎo)的模，形成一個(gè)諧振腔，而穿過(guò)過(guò)孔的帶狀線傳輸TEM模不受影響，從而減小了互耦的影響[7]。天線單元在中心頻率的增益為5.5dBi。

2.2 陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，陣列中心缺失單元，屬于不規(guī)則陣列，其陣列布局如圖2所示。傳統(tǒng)的陣列綜合方法，如泰勒綜合法，是基于規(guī)則陣列的，無(wú)法有效地對(duì)該陣列進(jìn)行副瓣電平抑制。而采用遺傳算法[8]對(duì)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(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù)，遺傳優(yōu)化算法可以更為有效地抑制不規(guī)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-帶狀線轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

由于天線單元采用帶狀線進(jìn)行饋電，而陣列天線的終端接口要求為SMA接頭，因此需要設(shè)計(jì)寬帶同軸線-帶狀線轉(zhuǎn)換器。圖4為本設(shè)計(jì)中應(yīng)用的一種新型的轉(zhuǎn)換器。該器件便于在多層微帶結(jié)構(gòu)中使用，可與雙層微帶天線采用相同工藝整體制備。通過(guò)將同軸探針與帶狀線末端利用過(guò)孔直接相連，并在轉(zhuǎn)換處去掉適當(dāng)大小的帶狀線上層地板，可以很好地實(shí)現(xiàn)同軸線-帶狀線間的寬帶轉(zhuǎn)換。采用ANSYS HFSS進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，圖5為這種轉(zhuǎn)換器的仿真結(jié)果。可見這種轉(zhuǎn)換器在8~11GHz的頻帶范圍內(nèi)保證了很低的回波損耗特性和插入損耗特性。

(a)側(cè)視圖

(b)俯視圖

圖4 寬帶同軸線-帶狀線轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖