呂 芳, 劉景萍

(南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院,江蘇南京210094)

0 引言

微帶天線具有體積小,重量輕,低剖面,能與載體共形,而且具有多樣化的電性能,很容易實現(xiàn)各種極化,可以在雙頻或多頻工作等一系列的優(yōu)點,而且微帶天線容易與有源器件、電路集成在一起,從而方便了整體的制作和調(diào)試[1]。微帶天線的這些優(yōu)點使它在毫米波頻段受到廣泛的關(guān)注,得到了廣泛的應(yīng)用。

但是單個微帶天線單元的增益和和帶寬是很難滿足實際需要的,故而利用微帶天線元來組成陣列天線的方法被普遍應(yīng)用,這使天線增益和帶寬得以提高。

本文設(shè)計了一種8×8的64元高增益大帶寬的微帶陣列天線。該陣列天線單個8元線陣采用了泰勒分布來錐削電流降低副瓣。

與普通的泰勒陣列不同的是采用了邊緣饋電方式而非傳統(tǒng)的中間饋電方法,且陣元間距是可調(diào)的,事實證明,該天線不僅仍能很好的降低副瓣,還可以很容易的實現(xiàn)輻射角度偏轉(zhuǎn),從而達(dá)到定向輻射的目的。

2 泰勒陣列設(shè)計

2.1 毫米波天線單元設(shè)計

具體的微帶天線的輻射原理在參考文獻(xiàn)[1]中有詳述,這里不再贅述。本文設(shè)計的天線工作頻率在32 GH z,頻率越高,對基片材料的要求就越苛刻,而且在毫米波頻段,厚基片會使表面波損耗過大,介電常數(shù)太大也不利于天線輻射,故而本文最終選用的是基片的介電常數(shù)εr=2.2,介質(zhì)厚度是0.254mm。

單元天線的輻射寬度W可以由以下的經(jīng)驗計算公式得

天線單元的長度L一般取λg/2,實際的天線長度和寬度由最終的仿真來確定。本文最終確定天線單元寬度和長度為W=3.8 mm,L=2.96 mm。輻射單元模型圖如圖1所示。

圖1 微帶天線元

駐波比如圖2,圖2中點1處頻率是31.64 GH z,點2處頻率是 32.05 GHz,即阻抗帶寬(VSWR≤2)范圍從 31.64 GH z到 32.05 GH z,可以算出相對帶寬為

圖2 微帶天線元的阻抗帶寬

在32 GH z處的輻射方向圖如3所示。從圖中可以看出,天線主要向上半空間輻射,圖中1代表的增益值為7.35 dB。

圖3 微帶天線輻射方向圖

2.2 泰勒天線陣設(shè)計

從上面可以看出,單個天線元的增益和帶寬都很小,難以滿足實際需要,進(jìn)行陣列設(shè)計是必然的,它可以有效的改善天線增益和帶寬。本文設(shè)計了一種新型的泰勒陣列天線來降低副瓣并且可以實現(xiàn)特定的角度偏轉(zhuǎn)。

常見的設(shè)計低副瓣天線的方法有道爾夫切比雪夫分布陣和泰勒分布陣。道爾夫切比雪夫分布陣可以在給定的副瓣電平下實現(xiàn)最窄的波瓣寬度,但是這樣的波瓣所對應(yīng)的口徑分布容易在兩端的單元上形成較大的電流,這一點在工程上是很難做到的。

與此不同,泰勒陣列修改了切比雪夫分布陣的副瓣,把靠近主瓣的副瓣移動位置,使它們的電平近似相等,更遠(yuǎn)的副瓣仍按照均勻分布時波瓣的形狀變化單調(diào)遞減,從而提高了方向性,所以本文采用泰勒分布的方法進(jìn)行設(shè)計[2]。

泰勒陣列是采用中間饋電來實現(xiàn)的,陣元間距固定是一個波長,它的輻射是邊射式的,輻射方向是固定的。

本文意在降低副瓣的同時能夠?qū)崿F(xiàn)向任意的特定方向輻射,故而必須進(jìn)行改進(jìn),采用了從陣列的一端饋電的方法,各元的電流仍然按照泰勒分布陣的電流進(jìn)行錐削,陣元間距可調(diào)節(jié),模型如圖4所示。

圖4 邊饋式矩形泰勒陣

用到的泰勒分布的有關(guān)理論見參考文獻(xiàn)[3][4],根據(jù)泰勒理論,設(shè)置泰勒分布的副瓣為-20 dB,用Matlab編程計算得到8元泰勒分布陣電流分別為

通過電流分布從左到右依次計算出各片從前一個端口到后一個端口的傳輸參數(shù)S12值分別為

調(diào)整各片的長和寬,使其滿足各片的S參數(shù)(回波損耗S11和各片的傳輸參數(shù)S12),陣元間距根據(jù)仿真確定。

采用的軟件是 ANSOFT公司的 HFSS軟件,仿真得到8元泰勒分布陣的帶寬和輻射方向圖如圖5、圖6所示。

在駐波比圖中,1點代表的頻率點為29.87 GHz,2點代表35.21GHz,泰勒陣列的相對帶寬為

圖6 泰勒天線陣的輻射方向圖

帶寬已經(jīng)可以滿足實際需要,輻射方向指向32°陣列增益達(dá)到了12.94 dB,輻射方向圖中1點代表12.94 dB。2點代表-2.488 dB,3點代表-4.35 dB,計算得到副瓣電平為-17.23 dB,后瓣電平為-17.29 dB,與理論值很接近。

3 8×8的64元并饋陣設(shè)計

3.1 功分器的設(shè)計原理

饋電網(wǎng)絡(luò)用8功分的功分器來實現(xiàn)。下面以一分二微帶線功率分配的設(shè)計為例進(jìn)行分析。傳輸線的結(jié)構(gòu)如下圖所示,它是通過阻抗變換來實現(xiàn)功率的分配。

圖7 一分二功分器示意圖

圖中,Z0為端口所接的特性阻抗,Z in為輸入阻抗,Z in1為①處的輸入阻抗,Z in2為②處的輸入阻抗。

匹配網(wǎng)絡(luò),從輸入端口看Z in=Z0,而Z in=Z in1∥Z in2,且是等分的,所以Z in1=Z in2,①處Z in1、②處Z in2的輸入阻抗應(yīng)為2Z0,這樣由①、②處到輸出終端Z0需要通過阻抗變換來實現(xiàn)匹配[5]。

阻抗變換器是為了解決阻抗不同的元件、器件相互連接而又不使其各自的性能受到嚴(yán)重的影響而出現(xiàn)的,常用的是四分之一波長傳輸線階梯阻抗變換器,如圖8所示。

圖8 λ/4阻抗變器示意圖

根據(jù)特性阻抗匹配原理[5]其中Z in為匹配后的輸入阻抗,Z01為四分之一波長傳輸線特性阻抗,RL為負(fù)載阻抗,則 Z1=其長度L為中心頻率導(dǎo)引波長的1/4,即L=λg/4,相當(dāng)于電長度 θ為θ=π/2。

3.2 功分器的設(shè)計仿真

因為天線各串阻抗是相等的且天線和功分器之間可以實現(xiàn)較好的匹配,所以設(shè)計中未加隔離電阻,功分器的仿真采用的是ANSOFT公司的HFSS軟件,其模型如圖9所示。

圖9 功分器模型圖

一般微帶天線間的間距取為0.6λ0～0.8λ0就可以忽略天線間的互耦,該設(shè)計中將陣元間距(也就是端口與端口間的距離)取為0.62λ0,約為5.8mm。仿真結(jié)果如圖10、圖11和圖12所示。

圖10 端口1的回波損耗

圖11 端口1與端口2、3、4和5間的傳輸參數(shù)

圖12 端口1與端口6、7、8和9間的傳輸參數(shù)

圖中,點2是-9.53 dB,點3是-9.51 dB,點4是-9.48 dB,點5是-9.54 dB,點6是-9.63 dB,點7是-9.56 dB,點8是-9.62 dB,點9是-9.65 dB,可以看到由于微帶線的損耗非常大,各個端口間的傳輸參數(shù)與理論值有一定的偏差,這是不可避免的。

3.3 并饋陣設(shè)計

將功分網(wǎng)絡(luò)與泰勒陣列進(jìn)行級聯(lián),即可得到8×8的并饋陣列,仿真采用的是Ansoft公司的Designer軟件。模型如圖13所示。

仿真結(jié)果的駐波比和E面方向圖如圖14和15所示。

在圖14的駐波比圖中,點1對應(yīng)的頻率是30 GH z,點2對應(yīng)的頻率35.3GHz是從圖中可以看出,絕對帶寬范圍從30 GHz到35.3 GHz,則可算出,相對帶寬為

從陣列的方向圖中可以看出,陣列增益達(dá)到了19.7 dB,上面截取的E面方向圖中,陣列最大輻射方向在40°,這是由于64元并饋陣和單串泰勒陣用不同的仿真軟件進(jìn)行仿真,故偏轉(zhuǎn)角稍有差異。

圖13 8×8的并饋陣列

圖14 8×8的并饋陣列的駐波比

圖中的點 1是19.7 dB,點2是4.2 dB,故副瓣電平為-15.5 dB,與單串泰勒陣列相比稍有升高,由于天線單元之間的相互影響以及不同軟件仿真的差異,出現(xiàn)這樣的變化是正常的。

4 結(jié)束語

圖15 8×8的并饋陣列的方向圖

文章采用泰勒分布的理論來降低陣列的副瓣電平,但是采取與普通泰勒陣列不同的饋電方式和間距設(shè)置。

本文的泰勒陣列探索采用邊緣饋電方式,實驗證明這種方法是可行的,這不僅可以很方便的實現(xiàn)共形和饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計,而且可以在不改變副瓣電平的情況下很容易的通過調(diào)節(jié)陣元間距來實現(xiàn)任意角度的定向輻射。由此組合成的并饋陣列可以獲得很大的帶寬和很高的增益。且這種設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單,便于加工制作,研究成果可用于工程實踐,具有很好的應(yīng)用價值。

[1] 鐘順時.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,1991:1-4.

[2] 林昌祿.天線工程手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001:434-436.

[3] 方大綱.天線理論與微帶天線[M].北京:科學(xué)出版社,2006:56-62.

[4] 尹文祿.微帶天線設(shè)計與天線測量系統(tǒng)構(gòu)建[D].國防科技大學(xué)碩士論文,2004:11.

[5] 廖承恩.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2007:277-287.