圓極化微帶陣列天線的設(shè)計(jì)

張明民，鄢澤洪

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

天線系統(tǒng)作為無線通信系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵的部分，其特性的好壞直接影響著整個(gè)通信系統(tǒng)的工作性能。無論是在軍事國防還是民用通信領(lǐng)域，對(duì)于天線單元及陣列的阻抗帶寬、方向圖、極化和增益特性都提出了更高的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，往往要求天線具有高增益、高功率、低旁瓣、波束掃描或波束控制等特性，采用某種形式的陣列天線則較容易獲得這些特性，因此，陣列技術(shù)在實(shí)際中獲得了廣泛的應(yīng)用[1]。

1 微帶天線的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的微帶陣列天線的主要指標(biāo)是:工作頻率在 2.4～2.5 GHz；天線極化方式為圓極化；天線增益 ＞10 dBi；駐波 ＜1.5；方向圖 E面波瓣寬度和面波瓣寬度 ＞25°；尺寸約為 400mm×400 mm。

1.1 微帶天線單元

天線單元采用雙饋電點(diǎn)的正方形貼片的微帶結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)圓極化特性。同時(shí)，通過介質(zhì)層(相對(duì)介電常數(shù)2.65)的厚度，可以實(shí)現(xiàn)天線單元工作帶寬的展寬。利用 HFSS軟件，獲得天線單元的最終結(jié)構(gòu)尺寸，其仿真模型，如圖 1所示。介質(zhì)層高度為 4 mm，輻射貼片邊長 35.25mm，可根據(jù)正方形經(jīng)典天線的設(shè)計(jì)公式 L=0.5λg-2Δl得到[2]。

圖1 天線單元仿真結(jié)構(gòu)圖

1.2 天線單元饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

根據(jù)天線雙饋電點(diǎn)的特性設(shè)計(jì)天線的匹配網(wǎng)絡(luò)。圓極化方式采用雙饋電點(diǎn)，兩個(gè)饋電端口所輻射的TM01模和 TM10模，在貼片輻射方向形成來年各個(gè)正交分量，相差 π/2，選擇適當(dāng)?shù)募?lì)頻率，可以使兩個(gè)模式同時(shí)被激勵(lì)，從而得到一個(gè)圓極化輻射場(chǎng)，所以饋電網(wǎng)絡(luò)采用 Wilkinson功分器，移相器采用普通微帶傳輸線。利用微帶傳輸線移相的特性，使功分器終端得到兩個(gè)等幅，相位相差 π/2的電場(chǎng)[3]。

圖2 天線單元饋電模型

天線單元加饋電后行進(jìn)了仿真得出了單元天線在工作帶寬內(nèi)的端口反射系數(shù)和阻抗特性，分別得到如圖 3和圖 4的結(jié)果。圖 3可以看出加饋電后天線端口的反射系數(shù)在工作頻段內(nèi)均 ＜-30 dB，對(duì)應(yīng)駐波≤1.06。圖 4可以看出加饋電后天線在中心頻率上的輸入阻抗為 49.4-j0.35Ω。

1.3 陣列天線的設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果

前面已經(jīng)得到設(shè)計(jì)單元天線的特性，本文采用 4個(gè)單元天線組成陣列天線[4]，并在 HFSS中建模，如圖 5所示，并且對(duì)該天線的電特性進(jìn)行仿真分析。

從圖6可以看出陣列天線的VSWR在工作頻段內(nèi)均 ＜1.2。

如圖 7所示，陣列天線在 2.40 GHz的增益為13.8 dBi，xoz面半功率波束寬度為 35°，yoz面半功率波束寬度為 34°。如圖 8所示，陣列天線在 2.45 GHz的增益為 13.85 dBi，xoz面半功率波束寬度為 34°，yoz面半功率波束寬度為 34°。

如圖 9所示，陣列天線在 2.50 GHz的增益為13 dBi，xoz面半功率波束寬度為 34°，yoz面半功率波束寬度為 33°。

2 結(jié)束語

本文研究了圓極化微帶陣列天線的設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果滿足:極化方式為圓極化方式，圓極化帶寬為2.4～2.5 GHz，波束寬度為 33°～35°，增益 ＞13 dBi，駐波 ＜1.3。具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)還有一些問題需要更進(jìn)一步的探討和研究。

[1]翟孟云，嚴(yán)育林.陣列天線理論引導(dǎo)[M].北京:國防工業(yè)出版社，1980.

[2]劉玉杰.小型化圓極化收發(fā)天線設(shè)計(jì)[J].遙測(cè)遙控，2004(5):53-56.

[3]David M Pazar.微波工程[M].3版.張肇儀，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[4]商遠(yuǎn)波，于曉樂，張富順，等.C波段高增益微帶天線陣列的研制[J].微波學(xué)報(bào)，2006，22(增刊):16-19.

[5]鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1991.