摘" 要： 為降低天線的尺寸和成本，以印刷蝶形振子天線為單元，設(shè)計(jì)了一款工作于X波段的8×4平面印刷陣列天線。該天線采用一種簡(jiǎn)單的饋電網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)蝶形振子輻射器陣列，設(shè)計(jì)的饋電網(wǎng)絡(luò)為等功率分配的微帶印刷電路結(jié)構(gòu)；對(duì)設(shè)計(jì)的陣列天線進(jìn)行了加工和測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果接近仿真結(jié)果。文中研究的蝶形陣列天線設(shè)計(jì)容易、成本較低，可作為天線罩測(cè)試系統(tǒng)的接收天線使用。

關(guān)鍵詞： 陣列天線； 印刷天線； 蝶形天線； 饋電網(wǎng)絡(luò)； X波段； 加工測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN822+.8?34" " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號(hào)： 1004?373X（2024）19?0021?06

Simulation and experiment of bowtie dipole array antenna

based on simple feeding network

FANG Liang1， ZHANG Jianchuan2， FANG Xinrui1， LIU Yizhuo2， SHI Jiaxin2， ZHANG Min2

（1. The Aeronautical Science Key Lab for High Performance Electromagnetic Windows， The Research Institute

for Special Structures of Aeronautical Composite AVIC， Jinan 250023， China;

2. School of Information Science and Engineering， Harbin Institute of Technology at Weihai， Weihai 264209， China）

Abstract： The design of an 8×4 planar printed array antenna operating in the X?band is presented to reduce the size and cost of the antenna， with the printed bowtie dipole antenna as the unit. A simple feeding network is employed to excite the array of bowtie dipole radiators. The designed feeding network is a microstrip printed circuit structure with equal power distribution. The designed array antenna is fabricated and tested. The testing results are close to those of the simulation. The design of the studied bowtie array antenna is characterized by simplicity and low cost， so the designed antenna can be used as the receiving antenna of the radome testing system.

Keywords： array antenna; printed antenna; bowtie antenna; feeding network; X?band; processing testing

0" 引" 言

在微波暗室內(nèi)進(jìn)行天線罩的電性能測(cè)試中，接收天線是不可缺少的重要器件或設(shè)備之一。在某些場(chǎng)合中，由于受到安裝空間的限制，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)天線的重量和尺寸有所要求，因此，針對(duì)某些具體的應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)低剖面、低成本和重量輕的電性能測(cè)試使用的天線器件具有較為重要的意義。采用印刷電路結(jié)構(gòu)的陣列天線具有低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)，目前在雷達(dá)和通信等領(lǐng)域已獲得廣泛的應(yīng)用。

蝶形印刷天線是另外一種常見(jiàn)的寬帶印刷天線類型，該天線在超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)中獲得大量的應(yīng)用[1?3]。蝶形印刷振子天線的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)容易，天線成本較低[4?6]。由于蝶形振子天線是平衡結(jié)構(gòu)，因此，在天線設(shè)計(jì)中往往需要引入平衡到不平衡轉(zhuǎn)換（Balun）的結(jié)構(gòu)，即巴倫結(jié)構(gòu)，巴倫同時(shí)具有阻抗變換的功能[7]。目前，蝶形天線振子單元的形狀、饋電方案和阻抗加載等方面的研究已成為蝶形天線技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，蝶形印刷振子的小型化是目前的關(guān)鍵技術(shù)之一[1，8?9]。為了提高天線的增益，陣列天線通常被采用。在印刷陣列天線設(shè)計(jì)中，通常采用微帶功率分配網(wǎng)絡(luò)對(duì)輻射器陣列進(jìn)行激勵(lì)[10?11]。以印刷蝶形振子天線為輻射器單元，采用簡(jiǎn)單的微帶饋電網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一種平面陣列天線結(jié)構(gòu)，給出了相應(yīng)的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究結(jié)果可為該天線的工程應(yīng)用奠定一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

1" 蝶形陣列天線的結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的平面陣列天線以印刷蝶形振子天線為輻射單元，整個(gè)天線輻射器陣列和微帶饋電網(wǎng)絡(luò)采用一層1 mm厚度的FR4介質(zhì)基板加工而成，蝶形振子的兩個(gè)蝶形振子臂分別位于介質(zhì)基板的上下兩側(cè)，采用直線漸變線結(jié)構(gòu)對(duì)蝶形振子輻射器饋電，微帶功率分配網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)輸出端直接和直線漸變線結(jié)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)了蝶形輻射器振子和饋電網(wǎng)絡(luò)的一體化設(shè)計(jì)。為了改善陣列天線的輻射性能，在印刷介質(zhì)基板的底部放置一個(gè)金屬反射地板。設(shè)計(jì)的蝶形陣列天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，圖1a）為前視圖，圖1b）為隱藏反射地板和介質(zhì)基板的前視圖，圖1c）為隱藏反射地板的后視圖，圖1d）為左視圖。

如圖2所示，蝶形對(duì)稱振子天線通常由一對(duì)對(duì)稱的等腰三角形或者扇形組成，當(dāng)張角[θ0]較大時(shí)，該天線具有較寬的工作頻帶。

在蝶形振子天線的設(shè)計(jì)中，典型的蝶形天線的長(zhǎng)度可由式（1）計(jì)算[12]：

[l=12λ0×1εeff] （1）

式中：[l]是整個(gè)蝶形天線的長(zhǎng)度；[λ0]是在空氣中的波長(zhǎng)；[εeff]是有效的介電常數(shù)。[εeff]的計(jì)算公式為：

[εeff=εr+12+εr-121+10hw-0.555] （2）

式中：[εr]和[h]分別是介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)和厚度；[w]是微帶傳輸線的寬度。

張角[θ0]與天線輸入阻抗[Zin]存在以下關(guān)系：

[Zin=120lgcotθ04] （3）

在蝶形天線輻射器振子的激勵(lì)端口和微帶功分器的輸入端口之間加載直線漸變阻抗變換結(jié)構(gòu)，是在較寬的頻帶內(nèi)達(dá)到阻抗匹配的常用方法。漸變線阻抗變換器可以等效成階梯數(shù)目無(wú)限多的階梯阻抗變換器，有利于小型化設(shè)計(jì)。微帶線的上條帶和地板均按指數(shù)線規(guī)律變化，在巴倫平衡端口上的地板與上條帶變?yōu)橄嗟鹊膶挾?，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)不平衡至平衡及阻抗變換[13]。漸變線阻抗匹配結(jié)構(gòu)的原理如圖3所示。當(dāng)[y=0]時(shí)，輸入端阻抗為[Zin]，當(dāng) [y=l]時(shí)，負(fù)載阻抗為[ZL]。

2" 蝶形陣列天線的性能仿真

采用全波電磁仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的蝶形振子陣列天線進(jìn)行仿真。設(shè)計(jì)的蝶形振子陣列天線的電壓駐波比的仿真結(jié)果如圖4所示，在9.4 GHz、10.2 GHz和11 GHz這三個(gè)典型工作頻點(diǎn)的電壓駐波比（VSWR）分別約為1.81、1.57和1.49。

圖5～圖7分別給出了在頻率為9.4 GHz、10.2 GHz和11 GHz時(shí)的蝶形振子陣列天線增益方向圖的仿真結(jié)果，在每一個(gè)工作頻點(diǎn)上，分別給出了在[xOz]面和[yOz]面的兩個(gè)正交極化分量的方向圖。該天線在頻率為9.4 GHz、10.2 GHz和11 GHz時(shí)的增益分別約為18.77 dB、16.83 dB和18.75 dB。

3" 蝶形陣列天線結(jié)構(gòu)的加工和實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的蝶形振子陣列天線的結(jié)構(gòu)，對(duì)陣列天線進(jìn)行了加工和測(cè)試，加工的蝶形振子陣列天線的照片如圖8所示。

加工的蝶形振子陣列天線的VSWR測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

測(cè)試結(jié)果表明，在9.4 GHz、10.2 GHz和11 GHz這三個(gè)典型工作頻點(diǎn)的電壓駐波比（VSWR）分別約為1.933、1.66和1.21。對(duì)加工的蝶形振子陣列天線進(jìn)行了方向圖性能的測(cè)試，圖10～圖12分別給出了在頻率為9.4 GHz、10.2 GHz和11 GHz時(shí)的蝶形振子陣列天線增益方向圖的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試方向圖的趨勢(shì)接近于仿真結(jié)果，但是方向圖的測(cè)試結(jié)果比仿真結(jié)果略差，該偏差可能是加工誤差和測(cè)試誤差產(chǎn)生的。

4" 結(jié)" 語(yǔ)

本文介紹了一種采用簡(jiǎn)單饋電網(wǎng)絡(luò)的平面印刷陣列天線，該天線采用單層介質(zhì)基板實(shí)現(xiàn)振子輻射器陣列和微帶饋電功率分配網(wǎng)絡(luò)的集成一體化設(shè)計(jì)，采用同軸電纜對(duì)功率分配網(wǎng)絡(luò)直接饋電，便于工程實(shí)現(xiàn)。文中采用直線漸變線結(jié)構(gòu)對(duì)雙面印刷蝶形輻射器振子進(jìn)行饋電，微帶功率分配網(wǎng)絡(luò)和振子輻射器直接連接的激勵(lì)方式更方便和簡(jiǎn)單。為了研制在微波暗室中測(cè)試天線罩電性能的接收天線，本文設(shè)計(jì)了一種工作于X波段的8×4平面印刷陣列天線，給出了相應(yīng)的電磁仿真結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)的天線陣列進(jìn)行了加工和裝配，給出了基本的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試結(jié)果表明了本文設(shè)計(jì)天線的有效性。本文研究的蝶形陣列天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)方便、成本較低，適合于工程應(yīng)用，研究結(jié)果可為實(shí)際天線的研制提供技術(shù)參考。

注：本文通訊作者為房亮。

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作者簡(jiǎn)介：房" 亮（1986—），男，黑龍江人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樘炀€罩和天線技術(shù)。

收稿日期：2024?03?19" " " " " "修回日期：2024?04?08

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（62231007）；哈工大研究生核心教學(xué)研究項(xiàng)目（23H020）；山東省教育發(fā)展研究微課題（FJ048）；哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）空基信息感知與融合全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（20230001077006）