五邑大學信息工程學院 李繼嵐江門出入境檢驗檢疫局 王春利五邑大學信息工程學院 張 昕

X波段天線陣列的設計

五邑大學信息工程學院 李繼嵐江門出入境檢驗檢疫局 王春利五邑大學信息工程學院 張 昕

本文在準八木微帶天線的基礎上進行改進，設計了一種工作在X波段的單元天線。在準八木微帶天線上增加兩個引向器、展寬激勵陣子和引向陣子寬度設計單元天線，并將單元天線進行組陣設計以提高天線的帶寬及增益。利用電磁仿真軟件HFSS對單元天線和陣列天線進行仿真分析，結果表明：陣列天線帶寬比單元天線帶寬展寬了20%，增益提高了1．5dB。該單元天線具有良好的應用前景，而其較小的尺寸便于進行天線的組陣設計。

準八木天線；微帶天線；陣列天線

1 引言

隨著無線通信技術的日益發(fā)展，微帶天線因重量輕、 體型小和制作簡單等優(yōu)點越來越表現(xiàn)出很強的應用價值[1]。但微帶天線帶寬較窄，如何在提高帶寬的同時保證天線的增益成為近年來的研究熱點。

文獻[2]中采用 Vivaldi 天線做為陣列單元，設計了一種 X 波段寬帶寬角掃描相控陣雷達系統(tǒng)的小型陣列天線。文獻[3]以八木天線為單元天線進行組陣，設計了一個兩單元天線陣。文獻[4]充分利用準八木天線的空間，增加兩個寄生貼片和振子耦合枝節(jié)以提高天線的相對帶寬，在天線背面加入一組引向振子以提高天線的增益。文獻[5]將微帶貼片天線進行組陣設計以增強帶寬和增益。文獻[6]提出并驗證了引向器的大小和位置是影響天線單元增益的主要因素。文獻[7]證實了準八木天線雙臂振子之間距離對天線插入損耗的影響。

本文綜合以上文獻對準八木微帶天線進行改進設計，通過增加引向器以提高天線的增益，展寬雙臂振子的寬度以提高帶寬,經(jīng)優(yōu)化分析設計出一種具有寬帶特性的天線單元。利用1×2功分器進行組陣設計補充單元天線在增益和帶寬上的不足。

2 天線設計

2.1 單元天線的設計

本文設計單元天線如圖1所示，選用介電常數(shù)為10.2、厚度為0.508mm、損耗正切角為0.023的Rogers RT-duroid 6100介質板，尺寸為，中心頻率10GHz，其等效相對介電常數(shù)εe為[4]：

電磁波在介質中的工作波長為：

其中，c為自由空間光速，f0為天線的中心頻率，εr為天線的相對介電常數(shù)，h為介質板的厚度，w為微帶線寬度。為了保證較高的輻射效率，理論上陣子的實用寬度為：

2.2 陣列天線的設計

陣列天線重點是功分器的設計，本文設計一種一分二功分器，將輸入端口的信號等幅同相的饋送到各個單元天線。a為輸入端傳輸線，b為四分之一波長阻抗變換傳輸線，c、e為一分二輸出端傳輸線的一個端口。如果輸入輸出端口阻抗，則。根據(jù)微帶線計算軟件TXline算出功分器的各個參數(shù)值為：

圖1 單元天線結構圖

圖2 陣列天線結構圖

3 仿真分析

經(jīng)優(yōu)化仿真后單元天線與陣列天線性能對比如表1所示。二者的S11參數(shù)、電壓駐波比（VSWR）和3D增益的對比圖分別如圖3、圖4、圖5和圖6所示。從圖3中可以看出單元天線回波損耗最低點為-24dB，諧振頻率為10GHz，帶寬為32%（）；陣列天線回波損耗最低點為-40dB，諧振頻率為9.8GHz，帶寬為50%；陣列天線的諧振頻率相對于單元天線有所偏移，但從回波損耗看出陣列天線的阻抗匹配特性要優(yōu)于單元天線。從圖4中可以看出VSWR≤ 2時，單元天線帶寬為33.7%；陣列天線帶寬為50%。從圖3和4中可以看出陣列天線的帶寬比單元天線展寬了20%。從圖5中可以看出單元天線的最大增益為3.57dB；從圖6中可以看出陣列天線的最大增益為5.03dB；增益提高了1.5dB。

圖3天線S11參數(shù)曲線圖

圖4 天線VSWR曲線圖

圖5 單元天線3D增益

圖6 陣列天線3D增益

表1 單元天線與陣列天線性能對比

4 結論

本文通過實驗仿真證實了在傳統(tǒng)的微帶準八木天線基礎上增加兩個引向器和展寬陣子的方式可以提高天線的帶寬和增益。該單元天線組陣后性能優(yōu)于單元天線。但其諧振頻率有一定的偏移，在以后的工作中可以增加陣元數(shù)進行優(yōu)化仿真以取得更優(yōu)的增益和帶寬。該陣列和單元天線均具有良好的應用前景。

[1]佘川飛,李彪．一種具有寬帶寬角特性的改進型準八木天線[J]．科學與電子信息學報,2011,09(1):39-43．

[2]鄭貴,王建,司海峰等．X波段寬帶寬角掃描相控陣天線的設計[J]．現(xiàn)代雷達,2015,37(10):46-50．

[3]黃朝暉,姜興．超寬帶準八木天線陣列設計[J]．桂林電子科技大學學報,2010,30(2):97-100．

[4]倪國旗,張濤,倪圍,等．一種微帶準八木天線的改進設計[J]．微波學報,2013,29(1):51-54．

[5]Sharma P,Gupta S．Bandwidth and gain enhancement in microstrip antenna array for 8GHz frequency applications[C]．Students Conference on Engineering and Systems,2014:1-6．

[6]王鵬,陳文華,馮正和．準八木型寬帶高增益微帶天線的設計[C]．全國天線年會,2009．

[7]郭俊,王鋒,金謀平．準八木型寬帶微帶天線單元的設計[J]．雷達科學與技術,2002(2):25-27．

[8]陳明,朱先成．基于八木天線的雙頻帶微帶天線[J]．西安郵電大學學報,2016,21(1):72-75．

李繼嵐（1993—），女，河南人，五邑大學信息工程學院碩士研究生，研究方向為天線理論與技術。

2014年廣東省教育廳特色創(chuàng)新類項目（2014KTSCX134）。

王春利（1982—），男，黑龍江人，江門出入境檢驗檢疫局高級工程師，研究方向為儀器分析。

張昕（1965—），男，黑龍江哈爾濱人，五邑大學信息工程學院教授，研究方向為天線理論與技術。