一种宽频带微带阵列天线

admin

                1  引言

                        微带天线以其重量轻、剖面低、制作简单、性能稳定等诸多优点，在通讯和雷达等领域得到了广泛的应用。随着微带天线应用领域的扩大，人们对通讯及雷达等系统适应复杂环境的要求也越来越高。而微带天线的传输线及辐射单元都是直接与外界接触的，给天线的防腐、防湿等带来了困难，尽管有的天线加装了天线罩，但因天线罩独立于天线，破坏了天线的整体性、降低了天线的电气性能，而且密封性能也不好，本来简洁、轻便的微带天线变得比较笨重，随着电磁环境的日益复杂，对通讯及雷达等系统的电磁兼容要求也越来越高，其中工作带宽的要求已远远超过了传统的微带天线的带宽特性。为了适应这些要求,微波领域的工作者发明创造了很多形式的微带天线，从理论上详细分析了一种频带比较宽，同时把天线罩作为天线的一部分集成在一起的，具有良好密闭性能的微带天线形式。本文介绍在此理论基础上设计的一种宽频带微带阵列天线。
                         
                        2  辐射单元设计

                        一般的微带天线单元，由于受微带板子厚度的限制，其相对带宽仅为1%左右，要展宽其带宽一是增加微带板子的厚度，二是采用多层结构，还有使用匹配网络等方法来展宽微带贴片的驻波带宽。在微带传输线正对的或附近的地板上腐蚀与带线正交的或倾斜的缝隙能够形成较宽带宽的辐射天线，其双向辐射特性可以通过给一边适当的位置加金属板的的方法来解决，为了使天线罩与天线成为一个整体，在微带线的另一边适当的位置加一适当强度、适当厚度的介质材料，但不像介绍的那样带上金属贴片，作为天线罩，在单元的格林函数中计入包括3层空气在内的总共5层介质的影响，设计各层的厚度、间距以及缝隙的参数等等，使微带天线单元的驻波比带宽达到指标要求，其结构示意图见图6。图1、2分别为单元输入电压驻波比的理论和实测曲线。
       

               

       

                图1  辐射单元VSWR理论值

       

               

       

                图2  辐射单元VSWR实测值

                         
                        3  阵列设计

                        天线的带宽要求比较宽，同时天线的电尺寸相对不是很大，根据尺寸、波束及增益相互限制关系，天线单元之间的间距横向选为0.65λ，纵向选为0.7λ，天线为8×16的阵列，天线馈电网络为并行功分网络。网络中的关键器件二分功分器，普遍的设计是选择Wilkinson隔离型功分器，但其成本较高，制作过程工序增加，通过网络设计及分析计算（输入电压驻波比的分析结果见图3），对于本天线而言采用不带隔离的功分器完全能够满足技术要求，天线方向图根据以下公式计算。
                       
                       
                       
                       
                       
       

               

       

                图3  辐射单元完全匹配条件下，理论计算的
                天线阵列端口VSWR

       

               

       

                图4  实际辐射单元条件下，实测的天线阵列端口VSWR

                 
                        4  结构设计

                        由于天线为多层结构，层与层之间有一定的距离，要保证这些层与层之间距离的准确，在结构设计时，天线的边框开了安装不同层介质板的槽，天线的中间选择若干点用介质垫块加螺钉直接把所有层固定在天线的支撑板上，所有的结合点与面都在安装时涂上了环氧胶，达到密封和加强强度的作用。天线美观，重量轻，是一个非常成功的设计。
       

               

       

                图5  天线外形

       

               

       

                图6  辐射单元结构示意图

                         
                        5  测试结果

                        天线在整个频带内的效率超过了45%，天线的实测方向图见图7、图8，天线的输入电压驻波比曲线见图3、图4。理论分析的网络输入电压驻波比要比实测值小很多，其原因是理论分析时把每个单元都假定为完全匹配的负载，如果计及辐射单元在整个频带内1.5以上的输入电压驻波比，分析结果与实测值相吻合。
       

               

       

                图7  中心频率上天线E面方向图

       

               

       

                图8  中心频率上天线H面方向图