Ka波段串饋微帶諧振式全向天線的設(shè)計與實現(xiàn)

　　1 引言

　　眾所周知，在各種實際應用中，往往要求天線具有高增益、高功率、低旁瓣、波束控制等特性。由于天線陣可以獲得這些特性，從而使得陣技術(shù)在實際中獲得廣泛的應用。上世紀70年代以后，隨著微帶天線的出現(xiàn)和發(fā)展，人們對微帶線饋電的微帶天線陣產(chǎn)生了濃厚的興趣。其優(yōu)點主要有：

　　(1)結(jié)構(gòu)簡單，易于制作和生產(chǎn);

　　(2)重量輕，體積小，成本低;

　　(3)剖面薄，易共形;

　　(4)易于實現(xiàn)多極化、變極化和雙頻工作;

　　(5)饋電網(wǎng)絡(luò)可以和微帶天線元集成在同一介質(zhì)基片上。

　　微帶天線陣的饋電主要有并聯(lián)和串聯(lián)兩種形式。和并饋相比，串聯(lián)饋電電路簡單，天線效率高，且空間利用性好。另外，按工作原理，微帶天線可以分為諧振型(駐波型)和非諧振型(行波型)兩類[2]。通常駐波天線為邊射且效率較高。而行波天線可以設(shè)計成從后射到端射之間任一方向，但由于微帶終端要接匹配負載，所以影響天線的輻射效率。本設(shè)計采取串聯(lián)饋電的方式，設(shè)計一種工作在ka波段(要求35.5GHz～36GHz)的諧振式微帶全向天線。

　　2 貼片單元與陣列的設(shè)計與仿真

　　因為天線工作在毫米波段，為了減小表面波的影響，故采用厚度較薄的介質(zhì)基片。另外，微帶貼片天線應采 用介電常數(shù)較低的基片，故采用純聚四氟乙烯基片，其基本參數(shù)：

　　圖1 基本貼片單元結(jié)構(gòu)

　　所以，基本貼片的設(shè)計如圖1所示：

　　圖2 全向天線結(jié)構(gòu)圖

　　本設(shè)計要求天線工作在垂直極化方式，且要求方向圖水平方向不圓度

，垂直方向波束寬度

，天線增益

。根據(jù)上述要求，組成圖2所示全向天線。圖中正反兩面的貼片單元交替出現(xiàn)，貼片長度和貼片間距均為L，其值大約為

。傳輸線輸入阻抗為

，其寬度為3.07 mm。采用CST MICROWAVE STUDIO軟件對模型進行仿真、優(yōu)化。最終得出以下數(shù)據(jù)： 傳輸線寬度3.07mm，貼片寬度6mm，貼片長度及間距2.86mm。仿真過程中，為了改善天線方向圖特性，使振子1的寬度略小一些。 仿真得到天線方向圖特性如圖3所示。從仿真結(jié)果中可以得到天線E面波束寬度為

，H面不圓度

，天線增益為

。符合設(shè)計要求。

　　圖3 天線仿真方向圖

　　但是，這種形式的天線駐波比較差。為了改善天線駐波特性，在天線正面?zhèn)鬏斁€始端串聯(lián)了阻抗匹配線(見圖4)，其寬度和長度均為1.5mm。在仿真過程中需要逐漸改變匹配線的位置來找到最佳的匹配點。圖5顯示了加匹配線后天線的回波損耗特性。

　　

　　圖4 匹配后線正面示圖

　　

　　圖5 天線回波損耗仿真圖

　　不過，加入

　　

　　阻抗匹配線雖然可以改善駐波特性，但是由于天線工作頻率比較高，所以匹配線的不連續(xù)處也會產(chǎn)生輻射，從而影響天線方向圖特性。尤其是會使圖3(b)中方向不圓度會變差(

　　

　　)。這些我們會在最后的實測過程中解決。

　　3 仿真與實測結(jié)果的比較

　　按照上述設(shè)計制作微帶板及饋電接頭，做實測實驗。用Hp8757A標量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量天線駐波，其電壓駐波比在35.5GHz～36GHz的范圍內(nèi)小于1.5(見圖6).

　　

　　圖6 天線實測駐波曲線

　　而在測量天線方向圖時為了解決上面提到的阻抗匹配線的結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起的方向圖變差的問題。在實驗中可以金屬箔將其屏蔽，這樣就既不影響天線駐波特性，也可以獲得較理想的方向圖。

　　使用西安恒達微波技術(shù)公司天線測試系統(tǒng)，實測天線方向圖如圖7。不過，由于天線的工作頻率較高，從而對加工及安裝精度很高?？赡苡捎诨砻嫫秸圆粔蚝谩⒓庸ぞ炔粔蚋呒皽y試環(huán)境的非理想等原因，實測結(jié)果和仿真值及設(shè)計要求有較大差距，尤其是不圓度指標和旁瓣電平較差。另外，不圓度曲線也不夠平坦。其他特性和仿真結(jié)果基本吻合。由于時間關(guān)系，改進天線方向圖特性的工作將在以后繼續(xù)進行。

　　

　　(a)E面方向圖

　　

　　(b)H面方向圖

　　圖7 天線實測E面、H面方向圖