Ka波段串馈微带谐振式全向天线的设计与实现

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                1  引言

                         众所周知，在各种实际应用中，往往要求天线具有高增益、高功率、低旁瓣、波束控制等特性。由于天线阵可以获得这些特性，从而使得阵技术在实际中获得广泛的应用。上世纪70年代以后，随着微带天线的出现和发展，人们对微带线馈电的微带天线阵产生了浓厚的兴趣。其优点主要有：
                         （1）结构简单，易于制作和生产；
                         （2）重量轻，体积小，成本低；
                         （3）剖面薄，易共形；
                         （4）易于实现多极化、变极化和双频工作；
                         （5）馈电网络可以和微带天线元集成在同一介质基片上。
                          
                         微带天线阵的馈电主要有并联和串联两种形式。和并馈相比，串联馈电电路简单，天线效率高，且空间利用性好。另外，按工作原理，微带天线可以分为谐振型（驻波型）和非谐振型（行波型）两类[2]。通常驻波天线为边射且效率较高。而行波天线可以设计成从后射到端射之间任一方向，但由于微带终端要接匹配负载，所以影响天线的辐射效率。本设计采取串联馈电的方式，设计一种工作在ka波段（要求35.5GHz～36GHz）的谐振式微带全向天线。
                          
                        2  贴片单元与阵列的设计与仿真

                         因为天线工作在毫米波段，为了减小表面波的影响，故采用厚度较薄的介质基片。另外，微带贴片天线应采 用介电常数较低的基片，故采用纯聚四氟乙烯基片，其基本参数：
                        
       

               

       

                图1  基本贴片单元结构

       

                 

                         所以，基本贴片的设计如图1所示：
                        
                          
       

               

       

                图2  全向天线结构图

                          
                         本设计要求天线工作在垂直极化方式，且要求方向图水平方向不圆度 ，垂直方向波束宽度 ，天线增益 。根据上述要求，组成图2所示全向天线。图中正反两面的贴片单元交替出现，贴片长度和贴片间距均为L，其值大约为 。传输线输入阻抗为 ，其宽度为3.07 mm。采用CST MICROWAVE STUDIO软件对模型进行仿真、优化。最终得出以下数据： 传输线宽度3.07mm，贴片宽度6mm，贴片长度及间距2.86mm。仿真过程中，为了改善天线方向图特性，使振子1的宽度略小一些。 仿真得到天线方向图特性如图3所示。从仿真结果中可以得到天线E面波束宽度为 ，H面不圆度 ，天线增益为 。符合设计要求。
                          
       

               

       

                图3  天线仿真方向图

                 
                         但是，这种形式的天线驻波比较差。为了改善天线驻波特性，在天线正面传输线始端串联了阻抗匹配线（见图4），其宽度和长度均为1.5mm。在仿真过程中需要逐渐改变匹配线的位置来找到最佳的匹配点。图5显示了加匹配线后天线的回波损耗特性。
                          
       

               

       

                图4  匹配后线正面示图

       

               

       

                图5  天线回波损耗仿真图

                          
                         不过，加入 阻抗匹配线虽然可以改善驻波特性，但是由于天线工作频率比较高，所以匹配线的不连续处也会产生辐射，从而影响天线方向图特性。尤其是会使图3（b）中方向不圆度会变差（ ）。这些我们会在最后的实测过程中解决。
                          
                        3  仿真与实测结果的比较

                         按照上述设计制作微带板及馈电接头，做实测实验。用Hp8757A标量网络分析仪测量天线驻波，其电压驻波比在35.5GHz～36GHz的范围内小于1.5（见图6）.
                          
       

               

       

                图6  天线实测驻波曲线

                          
                         而在测量天线方向图时为了解决上面提到的阻抗匹配线的结构不连续引起的方向图变差的问题。在实验中可以金属箔将其屏蔽，这样就既不影响天线驻波特性，也可以获得较理想的方向图。
                          
                         使用西安恒达微波技术公司天线测试系统，实测天线方向图如图7。不过，由于天线的工作频率较高，从而对加工及安装精度很高。可能由于基片表面平整性不够好、加工精度不够高及测试环境的非理想等原因，实测结果和仿真值及设计要求有较大差距，尤其是不圆度指标和旁瓣电平较差。另外，不圆度曲线也不够平坦。其他特性和仿真结果基本吻合。由于时间关系，改进天线方向图特性的工作将在以后继续进行。
                          
       

                 

       

                （a）E面方向图

       

               

       

                （b）H面方向图

       

                图7  天线实测E面、H面方向图