李永琪，蔡強(qiáng)明，曹 鑫，朱玉玉，張 良

（西南科技大學(xué)，四川 綿陽 621000）

現(xiàn)代通信發(fā)展迅速，各種通信所需的電子組件也迅速向高可靠性、短距離、小尺寸、輕量、薄型、高速和多極化方向發(fā)展，在功能方面，迫切需要一種具有良好電磁兼容性、抗電子干擾、具備隱身和反隱身特性、具備在多個(gè)頻點(diǎn)工作的能力以及較小雷達(dá)橫截面的高性能陣列天線?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展對(duì)相控陣天線的機(jī)動(dòng)性提出了嚴(yán)格的要求，傳統(tǒng)反射型表面天線的作用受到關(guān)鍵缺陷的限制。目前，微帶天線已經(jīng)被大規(guī)模應(yīng)用于無線電通信、醫(yī)用微波輻射計(jì)、雷達(dá)以及衛(wèi)星通信等方面。

與微波天線相比，微帶天線的優(yōu)勢(shì)在于：小巧、具有多種形式的電性能、各種極化均易獲得、能夠作為其中一個(gè)器件來配置有源電路、可以實(shí)現(xiàn)天線同時(shí)存在兩個(gè)或多個(gè)諧振點(diǎn)、簡化整體生產(chǎn)和調(diào)試、降低成本。許多天線的開發(fā)和應(yīng)用中都非常關(guān)注微帶天線，因此，雙頻和多頻也是微帶天線的重要發(fā)展方向。

微帶天線可以利用多模單片法、縫隙加載法[1]、多片法[2]和雙饋電[3]，使天線工作在雙頻或多頻模式下。在綜合考慮增益和相對(duì)帶寬的前提下，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)雙頻微帶天線4×1的陣列，采用電抗加載方法，根據(jù)傳統(tǒng)的矩形微帶天線設(shè)計(jì)公式確定普通微帶天線的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，適當(dāng)改變部分微帶傳輸線和1/4波長阻抗匹配傳輸線的寬度，以達(dá)到雙頻的頻帶寬度和兩頻率點(diǎn)之間的間隔。該方法的優(yōu)點(diǎn)是天線結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，天線各方面的性能指標(biāo)也比較好，使得天線在實(shí)際工程中有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 雙頻天線陣元的原理與設(shè)計(jì)

要使天線工作在雙頻，可以采用電抗加載的方法。電抗加載實(shí)現(xiàn)雙頻天線的一個(gè)重要原理是空腔模型的相關(guān)理論[3]，對(duì)于一個(gè)有著較薄介質(zhì)基片的微帶天線，假設(shè)在諧振頻率附近，其輸入阻抗為Zin，則：

在式（1）中，Xr是該模并聯(lián)諧振電路的“諧振電抗”，Xf是其他模的組合在一起產(chǎn)生的效應(yīng)。Xr+Xf=0是其諧振頻率的特征方程。當(dāng)電抗XL作用于微帶天線時(shí)，其頻率特征方程就變?yōu)閄r+Xf+XL=0。由此時(shí)的頻率特征方程可以看出，通過調(diào)節(jié)XL的值可以得到兩個(gè)零點(diǎn)，微帶天線在雙頻工作[4]。

微帶貼片單元如圖1（a）所示，天線陣元的S11（反射系數(shù)）如圖1（b）所示。本貼片單元采用50 Ω的饋線與其進(jìn)行匹配。天線貼片長度和寬度可以通過下列公式得到：

本項(xiàng)目采用的介質(zhì)基板是美國Arlon公司生產(chǎn)的Arlon Diclad880，其εr=2.2，厚度h=0.254 mm，tanδ=0.000 9。把有效介電常數(shù)定義為εe，經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

2 雙頻天線陣的設(shè)計(jì)

假定微帶線的特性阻抗為Zo，天線邊緣阻抗為ZL，1/4波長阻抗變換器的特性阻抗為Zl。根據(jù)理論知識(shí)，阻抗匹配的條件為：

計(jì)算得知，微帶饋電線L1段的特性阻抗為Zo=50 Ω，L3段微帶饋電的特性阻抗應(yīng)為ZL=50 Ω，由兩端L2都是并聯(lián)關(guān)系得L2段1/4波長阻抗變換器的阻抗應(yīng)為Zl=70.7 Ω。根據(jù)實(shí)際模型的需要和Ansoft HFSS軟件仿真，確定所有線的長度和寬度。

天線的諧振頻率點(diǎn)在32 GHz和35.36 GHz左右，兩個(gè)諧振頻率都處于毫米波頻段，其中，諧振點(diǎn)32 GHz所對(duì)應(yīng)的天線的增益為12.37 dB，對(duì)應(yīng)的阻抗帶寬為760 MHz；諧振點(diǎn)為35.36 GHz所對(duì)應(yīng)的天線增益為10.72 dB，對(duì)應(yīng)的阻抗帶寬為740 MHz。

由上述數(shù)據(jù)分析可知，天線的增益是比較高的，頻帶也是比較寬的，在諧振點(diǎn)32 GHz和35.36 GHz時(shí)阻抗帶寬分別達(dá)到了2.32%和2.09%[4]。平面雙頻陣列天線如圖2所示，天線陣反射系數(shù)結(jié)果如圖3所示，天線在不同頻率時(shí)在xz和yz截面上的增益方向如圖4所示。

圖1 微帶貼片單元模型

圖2 平面雙頻陣列天線示意

圖3 天線陣反射系數(shù)結(jié)果

圖4 天線在不同頻率時(shí)在xz和yz截面上的增益方向

3 結(jié)語

文章所述針對(duì)毫米波頻段，設(shè)計(jì)了一個(gè)4×1的陣列天線，該天線由3個(gè)T型功分器組成，4個(gè)矩形天線陣元采用側(cè)饋的方式饋電，天線貼片的中間是饋電點(diǎn)。根據(jù)電抗加載的原理，通過調(diào)節(jié)饋線的寬度和1/4波長阻抗變換器的寬度，使天線有兩個(gè)諧振點(diǎn)，分別為32 GHz和35.36 GHz，兩個(gè)諧振頻率都位于毫米波頻段，兩個(gè)諧振點(diǎn)處的帶寬（VSWR≤2）分別為760 MHz和740 MHz，和其他同種類型的毫米波天線陣列相比，帶寬是比較寬的。通過多次優(yōu)化仿真，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)調(diào)整饋線的阻抗可以控制兩個(gè)頻率之間的間隔，最后選擇合適的參數(shù)，從而使天線陣工作在雙頻，這一特點(diǎn)在大型天線陣的設(shè)計(jì)中有重要的參考價(jià)值，為實(shí)現(xiàn)毫米波雙頻天線陣提供了新的可行方案。