X波段宽带微带阵列天线设计

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        1  引言

        随着现代无线通信技术的飞速发展，天线技术的发展也是日新月异，天线形式更是层出不穷。但一直以来，微带天线以其剖面薄、重量轻、体积小、成本低和易于加工等优点而越来越得到研究者的青睐。但是，微带天线最严重的缺陷是频带窄，其相对带宽一般只有0.7%-7%，这限制了它在许多无线通信系统中的应用。因此，研究微带天线的宽频带特性一直是天线工作者十分关心的问题。
         
        在目前常用的展宽微带天线带宽的方法中，采用缝隙耦合馈电的双层微带天线是一种常用的结构。该天线在展宽天线带宽的同时，具有结构稳定、剖面低、重量轻等结构特点，更重要的是，它十分适合作为阵列天线的天线单元使用：由于馈电系统与天线系统不在同一平面，并用地板隔开，一方面使得馈电网络较为简单，另一方面避免了馈电网络对天线的寄生辐射影响。
         
        本文设计的X波段宽带微带阵列天线的天线单元即是采用这种缝隙耦合馈电的双层微带天线。为了减小背向辐射，采用带状线作为天线单元的馈电线和阵列的馈电网络。由于设计需求，阵列中心缺失单元，属于不规则阵列，因此采用遗传算法对阵列的权值分布进行了全局优化，以得到较低的副瓣电平。为了给天线阵列馈电，设计了一种新型的宽带同轴线-带状线转换器。
         
        对天线进行了设计与仿真，并制作了天线实物，进行了测试。测试结果表明该天线的驻波带宽（VSWR<2）达到了18%。在工作频带范围（8.5%）内，增益大于22dBi，副瓣电平优于-18dB。测试与仿真结果吻合良好。
         
        2  天线的设计

        2.1  天线单元的设计

        由于传统的微带贴片天线难以满足相对工作带宽8.5%的要求，因此天线单元采用了缝隙耦合馈电的双层微带天线。为减小地板开缝造成的后向辐射较大的问题，采用带状线为天线馈电。图1为天线单元的结构示意图。其中，第1、3、4、5层介质使用厚度为0.508mm的Rogers 5880（&epsilon;r=2.2）,第2层介质使用厚度为0.8mm的Fr-4材料（&epsilon;r=4.4），每两层之间都存在厚度为0.11mm的半固化片（&epsilon;r=4.4）用于粘合。

       

        （a）侧视图

       

        （b）俯视图

        图1  天线单元结构示意图

         
        另外，由于带状线地板上的缝隙破坏了带状线的对称性，缝隙在带状线两地板间激励起了高次模（平行平板模式），大大增加了单元间的互耦，从而影响阵列方向图形状。因此，利用过孔如图1（b）所示地连接带状线上下两层地板，使平行平板模式在过孔和上下地板间转化为波导的模，形成一个谐振腔，而穿过过孔的带状线传输TEM模不受影响，从而减小了互耦的影响[7]。天线单元在中心频率的增益为5.5dBi。
         
        2.2  阵列的优化设计

        根据设计要求，阵列中心缺失单元，属于不规则阵列，其阵列布局如图2所示。传统的阵列综合方法，如泰勒综合法，是基于规则阵列的，无法有效地对该阵列进行副瓣电平抑制。而采用遗传算法[8]对该阵列的幅度分布进行全局优化是较优综合算法。通过合理设计适应度函数，遗传优化算法可以更为有效地抑制不规则阵列的副瓣电平。图3为该阵列在不同综合方法下的方向图比较。在采用均匀分布时，副瓣电平为-15dB；泰勒分布时，为-17dB；遗传算法时，为-21dB。

       

        图2  阵列布局

       

        图3  综合方法比较

        2.3  宽带同轴线-带状线转换器的设计

        由于天线单元采用带状线进行馈电，而阵列天线的终端接口要求为SMA接头，因此需要设计宽带同轴线-带状线转换器。图4为本设计中应用的一种新型的转换器。该器件便于在多层微带结构中使用，可与双层微带天线采用相同工艺整体制备。通过将同轴探针与带状线末端利用过孔直接相连，并在转换处去掉适当大小的带状线上层地板，可以很好地实现同轴线-带状线间的宽带转换。采用ANSYS HFSS进行仿真设计，图5为这种转换器的仿真结果。可见这种转换器在8~11GHz的频带范围内保证了很低的回波损耗特性和插入损耗特性。
         

       

        （a）侧视图

       

        （b）俯视图

        图4  宽带同轴线-带状线转换器结构图

         
        3  仿真与测试结果

        基于前期的设计与仿真优化结果，加工了天线实物，进行了电压驻波比、增益以及方向图的测试。图6为天线实物照片；图7为电压驻波比的仿真与测试对比曲线；图8为工作频带内天线增益的仿真与测试对比曲线；图9为中心频率主平面方向图的仿真与测试对比曲线。

       

        （a）插入损耗仿真结果

       

        （b）回波损耗仿真结果

        图5  宽带同轴线-带状线转换器仿真结果

       

        图6 天线实物

       

        图7  电压驻波比的仿真与测试对比曲线

       

        图8  增益的仿真与测试对比曲线

       

        （a）E面

       

        （b）H面

        图9  中心频率主平面方向图仿真与测试对比曲线

         
        通过分析仿真与测试结果可知：天线的阻抗带宽可达18%，仿真与测试曲线吻合良好。在工作频段内，测试增益大于22dBi，副瓣电平优于-18dB，较仿真结果略差，但曲线整体趋势相同。这是由于天线在建模与仿真过程中，边界条件设置过于理想，而实际的天线加工精度、平整度、介质的均匀性以及天线边缘绕射效应等影响没有考虑进去造成的。
         
        4  结论

        本文设计了一种X波段宽带微带阵列天线，并给出了基本设计流程。通过对天线单元、阵列和馈电转换结构的设计，使天线具有宽带和较低副瓣的特点。仿真与测试结果吻合好，天线的阻抗带宽可达18%，工作频带内增益大于22dBi，副瓣电平优于-18dB。该天线在高性能宽带无线系统当中有较好的应用前景。