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(xiàn)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(shí)現(xiàn)各種極化,可以在雙頻或多頻工作等一系列的優(yōu)點(diǎn),而且微帶天線(xiàn)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(xiàn)的這些優(yōu)點(diǎn)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(gè)微帶天線(xiàn)單元的增益和和帶寬是很難滿(mǎn)足實(shí)際需要的,故而利用微帶天線(xiàn)元來(lái)組成陣列天線(xiàn)的方法被普遍應(yīng)用,這使天線(xiàn)增益和帶寬得以提高。

本文設(shè)計(jì)了一種8×8的64元高增益大帶寬的微帶陣列天線(xiàn)。該陣列天線(xiàn)單個(gè)8元線(xiàn)陣采用了泰勒分布來(lái)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(shí)證明,該天線(xiàn)不僅仍能很好的降低副瓣,還可以很容易的實(shí)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(jì)

2.1 毫米波天線(xiàn)單元設(shè)計(jì)

具體的微帶天線(xiàn)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(jì)的天線(xiàn)工作頻率在32 GH z,頻率越高,對(duì)基片材料的要求就越苛刻,而且在毫米波頻段,厚基片會(huì)使表面波損耗過(guò)大,介電常數(shù)太大也不利于天線(xiàn)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(xiàn)的輻射寬度W可以由以下的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式得

天線(xiàn)單元的長(zhǎng)度L一般取λg/2,實(shí)際的天線(xiàn)長(zhǎng)度和寬度由最終的仿真來(lái)確定。本文最終確定天線(xiàn)單元寬度和長(zhǎng)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(xiàn)元

駐波比如圖2,圖2中點(diǎn)1處頻率是31.64 GH z,點(diǎn)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(duì)帶寬為

圖2 微帶天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)輻射方向圖

2.2 泰勒天線(xiàn)陣設(shè)計(jì)

從上面可以看出,單個(gè)天線(xiàn)元的增益和帶寬都很小,難以滿(mǎn)足實(shí)際需要,進(jìn)行陣列設(shè)計(jì)是必然的,它可以有效的改善天線(xiàn)增益和帶寬。本文設(shè)計(jì)了一種新型的泰勒陣列天線(xiàn)來(lái)降低副瓣并且可以實(shí)現(xiàn)特定的角度偏轉(zhuǎn)。

常見(jiàn)的設(shè)計(jì)低副瓣天線(xiàn)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(shí)現(xiàn)最窄的波瓣寬度,但是這樣的波瓣所對(duì)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(diǎn)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(dòng)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(shí)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(jì)[2]。

泰勒陣列是采用中間饋電來(lái)實(shí)現(xiàn)的,陣元間距固定是一個(gè)波長(zhǎng),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(shí)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(jiàn)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(jì)算得到8元泰勒分布陣電流分別為

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

調(diào)整各片的長(zhǎng)和寬,使其滿(mǎn)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(diǎn)代表的頻率點(diǎn)為29.87 GHz,2點(diǎn)代表35.21GHz,泰勒陣列的相對(duì)帶寬為

圖6 泰勒天線(xiàn)陣的輻射方向圖

帶寬已經(jīng)可以滿(mǎn)足實(shí)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(diǎn)代表12.94 dB。2點(diǎn)代表-2.488 dB,3點(diǎn)代表-4.35 dB,計(jì)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(jì)

3.1 功分器的設(shè)計(jì)原理

饋電網(wǎng)絡(luò)用8功分的功分器來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面以一分二微帶線(xiàn)功率分配的設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析。傳輸線(xiàn)的結(jié)構(gòu)如下圖所示,它是通過(guò)阻抗變換來(lái)實(shí)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(guò)阻抗變換來(lái)實(shí)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(zhǎng)傳輸線(xiàn)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(zhǎng)傳輸線(xiàn)特性阻抗,RL為負(fù)載阻抗,則 Z1=其長(zhǎng)度L為中心頻率導(dǎo)引波長(zhǎng)的1/4,即L=λg/4,相當(dāng)于電長(zhǎng)度 θ為θ=π/2。

3.2 功分器的設(shè)計(jì)仿真

因?yàn)樘炀€(xiàn)各串阻抗是相等的且天線(xiàn)和功分器之間可以實(shí)現(xiàn)較好的匹配,所以設(shè)計(jì)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(xiàn)間的間距取為0.6λ0～0.8λ0就可以忽略天線(xiàn)間的互耦,該設(shè)計(jì)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(diǎn)2是-9.53 dB,點(diǎn)3是-9.51 dB,點(diǎn)4是-9.48 dB,點(diǎn)5是-9.54 dB,點(diǎn)6是-9.63 dB,點(diǎn)7是-9.56 dB,點(diǎn)8是-9.62 dB,點(diǎn)9是-9.65 dB,可以看到由于微帶線(xiàn)的損耗非常大,各個(gè)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(jì)

將功分網(wǎng)絡(luò)與泰勒陣列進(jìn)行級(jí)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(diǎn)1對(duì)應(yīng)的頻率是30 GH z,點(diǎn)2對(duì)應(yīng)的頻率35.3GHz是從圖中可以看出,絕對(duì)帶寬范圍從30 GHz到35.3 GHz,則可算出,相對(duì)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(diǎn) 1是19.7 dB,點(diǎn)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(xiàn)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(yǔ)

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(lái)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(shí)驗(yàn)證明這種方法是可行的,這不僅可以很方便的實(shí)現(xiàn)共形和饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),而且可以在不改變副瓣電平的情況下很容易的通過(guò)調(diào)節(jié)陣元間距來(lái)實(shí)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(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于加工制作,研究成果可用于工程實(shí)踐,具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 鐘順時(shí).微帶天線(xiàn)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(xiàn)工程手冊(cè)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001:434-436.

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

[4] 尹文祿.微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)與天線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建[D].國(guó)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.