微帶行波串饋寬帶頻掃天線

2016-10-10 by:CAE仿真在線來源:互聯網

摘要:本文設計并測試了一種微帶平面結構的行波串饋式寬帶頻掃天線。它包含18個寬度逐漸增大的矩形貼片諧振單元結構,在保證天線輻射效率的同時提高了矩形貼片天線的帶寬。測試結果表明,頻率從22.0變化到25.0GHz時,主波束偏角從-26.7deg變化到-5.9deg。該頻段內,天線輸入回波損耗大于10dB,典型值15dB。天線副瓣抑制15dB,E面半功率波束寬度7deg,H面半功率波束寬度67deg。

1 引言

近年來,隨著現代無線通信技術的高速發展,微帶天線以其重量輕、成本低、易集成等諸多優點,日益受到人們的青睞。但是,微帶天線帶寬較窄,其相對帶寬一般只有1%~5%[1],因而在實際應用中受到了一定的限制。因此,如何展寬微帶天線帶寬具有十分重要的意義。THOMAS METZLER[2]制作了一個5mm長,采用26個相似微帶貼片諧振單元的行波串饋天線,在1.40~1.43GHz頻帶內,天線增益21.5dB,天線掃描角度2度。本文采用18個相似微帶矩形貼片諧振單元行波串饋結構,在22.0-25.0GHz頻帶內實現寬帶掃頻特性,天線掃描角度20.8度。

2 天線設計

本文采用18個相似微帶矩形貼片諧振單元結構,通過高阻線串聯饋電,饋電結構簡單,易于電路集成。單個矩形貼片諧振單元結構如圖1所示。在天線設計時,有許多關鍵的設計參數,如饋線寬度W_feed、貼片寬度W_patch、饋線長度L_feed、貼片長度L_patch等,下面將對這些關鍵參數進行詳細分析。

圖1 矩形貼片諧振單元

2.1 天線寬頻帶設計——饋線寬度W_feed和貼片寬度W_patch

天線饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio(=W_feed/W_patch)控制著饋線與貼片之間的耦合度。每個貼片單元可以看成是一個包含輸入端和輸出端的二端口網絡,端口阻抗由帶線的特征阻抗決定。增大饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio,可以減小該諧振單元的Q值,從而增大天線帶寬[3]。但是天線輻射效率幾乎與貼片寬度成正比,增大饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio,貼片寬度將相對減小,從而天線輻射效率也將隨之減小。這樣就需要對天線帶寬與天線輻射效率之間有個權衡,來確定饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio。

為了解決天線帶寬和天線輻射效率之間的矛盾,本文采用了一種饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio漸變的結構,如圖2所示。多個W_Ratio逐漸減小的貼片單元串聯級聯在一起,構成貼片天線陣列。在靠近天線輸入端,饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio較大,有利于實現寬帶匹配,展寬天線帶寬。在靠近天線終端,饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio較小,貼片寬度相對較大,有利于提高天線輻射效率。

圖2 平面陣列天線結構示意圖

2.2 天線頻掃設計——饋線長度L_feed和貼片長度L_patch

微帶貼片天線有兩種類型的TEM傳輸線天線:

1)天線終端接匹配負載的行波天線;

2)天線終端為開路或短路的駐波天線。

行波天線一般為周期性結構,輻射可設計成從后射直到端射之間的任一方向,駐波天線通常為邊射。在行波串饋貼片天線陣列中,隨著單元數目的增多,損耗就越嚴重,后面貼片單元上的電流就很小,回波幾乎沒有,對于微帶線陣即使不接匹配負載,也可組成行波陣(準行波陣)。另外,如果接匹配負載,負載肯定將消耗一部分能力,引起能量不必要的浪費,同時還增大天線發熱量。

2.3 天線仿真結果

本文利用HFSS軟件對該陣列天線進行三維電磁仿真計算。基片采用Taconic公司的RF35A2介質基片,介電常數3.5,厚度0.508mm。經過優化設計[4][5],陣列天線三維增益方向圖仿真結果如圖3所示,E面(yoz面)方向圖仿真結果如圖4所示。

圖3 天線三維增益方向圖仿真結果(24G)

圖4 天線E面(yoz面)方向圖仿真結果

在頻率從20.0GHz變化到25.0GHz時,主波束指向角從-40.2deg變化到-1.3deg,天線增益在15dB左右。

3 天線測試

3.1 測試環境

信號源Agilent E8257D激勵矩形喇叭天線HD-220HA提供發射信號,將待測天線做為接收天線安裝在暗室轉臺上,待測天線接頻譜儀Agilent E4447A測量出接收信號功率電平大小,水平轉動轉臺180度,繪制出待測天線功率電平方向圖。

3.2 天線E面方向圖測試

將待測天線E面方向平行于水平面方向安裝在暗室轉臺上(如圖5所示),轉臺從-90度轉動到+90度,選擇若干頻點測試出天線E面方向圖(如圖6所示)。

在頻率22GHz、23GHz、24GHz、25GHz時,天線主波束方向均偏向饋電端,天線E面主波束方向偏離天線法線方向分別為-26.7deg、-18.8deg、-11.5deg、-5.9deg;E面半功率波束寬度分別為8.1deg、7.1deg、6.6deg、7.0deg;旁瓣抑制15dB。

圖5 天線E面方向圖測試照片

圖6 天線E面方向圖測試結果

3.3 天線H面方向圖測試

在天線E面方向圖測試完畢后,即可確定主波束偏角。在H面方向圖測試前,調整待測天線俯仰角,使其最大波束指向對準喇叭天線。24GHz時天線主波束方向偏向饋電端11.5deg,調整天線仰角,使天線法線方向與水平面方向夾角為11.5deg,如圖7所示,測試出此時H面方向圖如圖8所示。

圖7 天線H面方向圖測試照片

天線H面最大功率方向平行于天線法線方向,H面半功率波束寬度67.4deg。

圖8 天線H面方向圖測試結果(24G)

3.4 天線輸入回波損耗測試

采用矢量網絡分析儀Agilent E8363C測量出天線輸入回波損耗S11如圖9所示。

圖9 天線輸入回波損耗測試結果

在22.0~25.0GHz頻段內,天線輸入回波損耗在10~22dB之間,典型值14dB。

4 結論

本文采用平面微帶結構,設計并制作了一種行波串饋式的寬帶頻掃天線。在22.0~25.0GHz這相對帶寬13%的頻段內,主波束偏角從-26.7deg變化到-5.9deg,輸入回波損耗大于10dB,旁瓣抑制15dB。天線E面半功率波束寬度7deg,H面半功率波束寬度67deg。該結構陣列天線體積小,重量輕,頻帶寬,饋電簡單,能和有源器件、電路集成為統一的組件,適合大規模生產,在微波和毫米波領域具有廣闊的應用前景。