基于菱形單元的寬帶微帶柵格陣列天線設(shè)計(jì)

郝 剛，劉宇峰，陳新偉，韓國(guó)瑞

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引 言

柵格天線陣列(GAA)是一種具有多個(gè)矩形導(dǎo)線環(huán)或者微帶線環(huán)的平面陣列天線[1]，它在 1964年 由Kraus 作為頻率掃描天線提出[2]，并由Conti等人發(fā)展為微帶版本的駐波天線[3].通常，柵格的短邊和長(zhǎng)邊分別約為工作頻率下的0.5λ和λ，電流在短邊呈同相分布，形成主輻射；與短邊垂直的長(zhǎng)邊電流在中點(diǎn)處反相，形成交叉輻射.微帶柵格陣列天線主要具有體積小、易制造、交叉極化可控、高增益、饋電簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[4,5]，可作為通信天線，如室外網(wǎng)橋信號(hào)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，隧道、礦井等信號(hào)覆蓋較差場(chǎng)景下的移動(dòng)通信，以及附著在飛機(jī)或衛(wèi)星等載體表面做共形天線；還可應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用柵格陣列天線的高定向、高增益做微波熱療.然而受制于微帶線元的窄帶特性，天線在諧振點(diǎn)附近的輸入阻抗對(duì)頻率變化很敏感，這就使得原始結(jié)構(gòu)下的帶寬較窄，無法滿足寬帶通信的要求[6]，例如，在Assimonis等人的研究工作中[7]，7個(gè)輻射單元的原型柵格陣列的仿真阻抗帶寬不足3%；在陳星等人的研究工作中[8]，13個(gè)輻射單元的微帶柵格陣列的阻抗帶寬為4.5%.因此設(shè)計(jì)一個(gè)具有寬帶特性的GAA是一項(xiàng)很有意義的工作.近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了一些提高GAA帶寬的方法.Chen等人[9]使用階梯型的微帶線連接源端口和臨近節(jié)點(diǎn)，改善了多單元陣列天線的阻抗匹配，最大帶寬為2.65%；Assimonis等人[7]研究了柵格陣列天線在阻抗帶寬和最大增益方面的影響因素，通過加載接地電阻把天線的帶寬從2.19% 提升到了5.32%；Khan等人[10]把天線設(shè)計(jì)為多層結(jié)構(gòu)，饋電網(wǎng)絡(luò)和天線分開設(shè)計(jì)，便于端口和天線輸入端的阻抗匹配，仿真帶寬為11.5%；Arnieri等人[11]采用長(zhǎng)度可變的單元形成多諧振的輻射結(jié)構(gòu)，利用多個(gè)諧振點(diǎn)展寬帶寬，仿真的相對(duì)帶寬為11.7%.陳星等人[12]設(shè)計(jì)了一種橢圓輻射單元的微帶柵格陣列天線，橢圓貼片增加了瞬時(shí)電流路徑，經(jīng)過 110h 的算法優(yōu)化后有效帶寬達(dá)到12.7%.微帶柵格陣列天線的阻抗帶寬通常不會(huì)超過相對(duì)帶寬的幾個(gè)百分點(diǎn)[13], 因此帶寬超過10% 即屬于寬帶.

本文采用菱形貼片作為輻射單元，調(diào)整了陣列上下邊的單元寬度，從而改善了天線的頻率響應(yīng)特性；采用探入式同軸探針饋電，增加阻抗帶寬且不改變方向圖特性.仿真分析結(jié)果表明，陣列天線的相對(duì)帶寬(|S11|<-10 dB)達(dá)到了 13.0%，在工作頻率2.45 GHz處有最大增益 15.4 dBi.

1 天線結(jié)構(gòu)

圖 1 為菱形微帶柵格陣列天線的結(jié)構(gòu)，深色區(qū)域?yàn)榻饘俨糠?，淺色區(qū)域?yàn)榻橘|(zhì)基板，介質(zhì)基板采用相對(duì)介電常數(shù)ε1=2.55，厚度h1=1 mm的聚四氟乙烯材料，介質(zhì)基板和地平面之間填充了厚度為h2的空氣間隙.天線的總尺寸為290×205×7.4 mm3.

柵格陣列由菱形微帶貼片作為陣元，經(jīng)過曲線傳輸線的連接構(gòu)成.整個(gè)陣列共有4個(gè)柵格，每個(gè)柵格含有2個(gè)菱形輻射邊和2條傳輸線.菱形單元的尺寸不完全一致，中心的3個(gè)菱形寬為sb，其余4個(gè)菱形寬為sc，所有菱形的長(zhǎng)均為sa.菱形貼片作為主要輻射單元，它的瞬時(shí)電流相位基本相同，進(jìn)而形成側(cè)向輻射的主波束.位于x方向的傳輸線的長(zhǎng)度分別為lt及2lt，峰值為A，寬度為wt，以穿過F點(diǎn)的曲線為例，它采用正弦分布，可由式(1)確定

y(x)=sin(0.44x)×(A-wt)/2，

(1)

式中：x∈[-lt,+lt].天線采用特性阻抗為50 Ω的探入式同軸線饋電，探入高度為h.同軸內(nèi)導(dǎo)體穿過地板、空氣間隙和介質(zhì)層，連接到饋電點(diǎn)F上，外導(dǎo)體接地.

(a) 正視圖

根據(jù)多層介質(zhì)理論可知，兩層介質(zhì)的等效介電常數(shù)

(2)

式中：ε1為空氣的相對(duì)介電常數(shù)，則微帶柵格陣列天線的介質(zhì)波長(zhǎng)

(3)

式中：λ0為自由空間波長(zhǎng)；c為自由空間的光速.

2 參數(shù)分析

線寬wt影響天線的交叉極化，wt越小交叉輻射也越小，但是wt太小會(huì)使阻抗和傳輸損耗迅速增大.一般確保wt使得傳輸線的特性阻抗在250 Ω以下，即

(4)

經(jīng)過仿真分析后，確定wt=1.8 mm(0.02λg)，此時(shí)傳輸線的特性阻抗?jié)M足式(4).

介質(zhì)基板和地平面之間填充空氣可以降低天線的Q值，但增加天線高度會(huì)使同軸探針變長(zhǎng)，輸入阻抗中的感性分量增加，因此有必要對(duì)探針引入的感抗進(jìn)行控制.圖 2 對(duì)饋電探入的高度h進(jìn)行了參數(shù)分析.h=0 mm即不進(jìn)行控制時(shí)，天線在2.45 GHz 附近的帶寬較窄；隨著h的增大，阻抗匹配改善明顯.可見，采用探入式的饋電方法有助于更好的阻抗匹配，增加帶寬.經(jīng)過參數(shù)分析后，確定h=3.2 mm.

圖 2 探入不同高度下的仿真|S11|

為進(jìn)一步改善天線在2.45 GHz附近的阻抗匹配，并降低旁瓣水平，對(duì)中心以外的4個(gè)菱形寬度sc進(jìn)行縮減.圖 3 為sc的變化對(duì)反射系數(shù)的影響.sc=44 mm，即所有菱形大小一致時(shí)，|S11|<-10 dB 的帶寬較窄，且諧振點(diǎn)向低頻偏移；隨著sc的減小，帶寬增加.經(jīng)過參數(shù)分析后，確定sc=29 mm.

圖 3 菱形不同寬度下的仿真|S11|

天線的諧振頻率主要與柵格尺寸有關(guān)，根據(jù)文獻(xiàn)[8]的工作，陣列天線的h2，sa，sb，lt和A可分別為0.05λg～ 0.08λg，0.4λg～ 0.7λg，0.2λg～ 0.4λg，0.3λg～ 0.8λg和0.06λg～ 0.12λg.同樣經(jīng)過柵格陣列天線參數(shù)分析后，確定h2=6.4 mm(0.05λg)；sa=78 mm(0.66λg)；sb=44 mm(0.36λg)；lt=69 mm(0.58λg)；A=10.8 mm(0.09λg)時(shí)微帶柵格陣列天線柵格陣列在2.45 GHz有較好的諧振.

3 天線性能

圖 4 為該菱形柵格陣列天線的|S11|參數(shù)曲線.符合|S11|<-10 dB的范圍是2.30 GHz～2.62 GHz，相對(duì)帶寬達(dá)到13.0%，天線在2.45 GHz 頻點(diǎn)處的匹配良好，反射系數(shù)的幅值低于-20 dB.

圖 4 天線的仿真|S11|曲線

圖5為天線的增益變化.在2.45 GHz處天線有最大增益15.4 dBi，這對(duì)于7個(gè)輻射單元的柵格陣列天線是一個(gè)高值，相比文獻(xiàn)[12]的13.7 dBi 和文獻(xiàn)[14]中23個(gè)輻射單元的14.4 dBi.3 dB增益下降帶寬為14.3% (2.28 GHz～2.63 GHz)，與阻抗帶寬幾乎重合.

圖 5 天線的增益變化

圖 6 為天線在2.45 GHz處的歸一化輻射方向圖.天線在側(cè)向上輻射出一個(gè)定向波束，H面和E面的HPBW分別為37.5°和23.6°，第一旁瓣水平均低于-15.6 dB，且交叉極化很小，主交叉極化相差25 dB以上.H面方向圖完全對(duì)稱，主波束指向?yàn)樘炀€面的法線；由于饋電位置偏移天線幾何中心，E面方向圖有2°的波束傾斜.

(a) H面

微帶柵格陣列天線的旁瓣主要受遠(yuǎn)離饋電點(diǎn)的非同步電流影響，此外還與互耦、衍射效應(yīng)、單元匹配和饋電網(wǎng)絡(luò)隔離誤差等因素有關(guān).該天線中由于基板是電薄的，表面波很弱，衍射效應(yīng)較小，因此主要受到彎曲的傳輸線自身耦合影響.設(shè)計(jì)天線的邊緣菱形寬度變窄，除了利于阻抗匹配，還可減小邊緣場(chǎng)強(qiáng)，從而更集中于中心的輻射單元，形成高增益、低旁瓣的側(cè)面波束.表 1 列出了本文及部分文獻(xiàn)中天線的工作帶寬.

表 1 柵格陣列天線的工作帶寬

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)2.45 GHz的菱形輻射單元的微帶柵格陣列天線.傳統(tǒng)柵格的短邊被菱形結(jié)構(gòu)取代，柵格的長(zhǎng)邊采用正弦曲線，有效減小輻射口徑.采用探入式同軸饋電，減小了陣列邊緣的菱形寬度，提供更好的阻抗帶寬和方向圖特性.天線的總尺寸為290×205×7.4 mm3.仿真結(jié)果顯示，天線的阻抗帶寬(|S11|<-10 dB)為13.0% (2.30 GHz～2.62 GHz)，在工作頻率2.45 GHz處，|S11|<-20 dB，且有最大增益15.4 dBi，天線的交叉極化低于-25 dB，第一旁瓣低于-15.6 dB.證明了本文提出的菱形貼片結(jié)構(gòu)作為柵格陣列輻射單元的可行性，為寬帶柵格陣列的設(shè)計(jì)提供了新的思路.