一種寬頻帶微帶陣列天線

1引言

微帶天線以其重量輕、剖面低、制作簡單、性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，在通訊和雷達(dá)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著微帶天線應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，人們對(duì)通訊及雷達(dá)等系統(tǒng)適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的要求也越來越高。而微帶天線的傳輸線及輻射單元都是直接與外界接觸的，給天線的防腐、防濕等帶來了困難，盡管有的天線加裝了天線罩，但因天線罩獨(dú)立于天線，破壞了天線的整體性、降低了天線的電氣性能，而且密封性能也不好，本來簡潔、輕便的微帶天線變得比較笨重，隨著電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，對(duì)通訊及雷達(dá)等系統(tǒng)的電磁兼容要求也越來越高，其中工作帶寬的要求已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的微帶天線的帶寬特性。為了適應(yīng)這些要求,微波領(lǐng)域的工作者發(fā)明創(chuàng)造了很多形式的微帶天線，從理論上詳細(xì)分析了一種頻帶比較寬，同時(shí)把天線罩作為天線的一部分集成在一起的，具有良好密閉性能的微帶天線形式。本文介紹在此理論基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種寬頻帶微帶陣列天線。

2輻射單元設(shè)計(jì)

一般的微帶天線單元，由于受微帶板子厚度的限制，其相對(duì)帶寬僅為1%左右，要展寬其帶寬一是增加微帶板子的厚度，二是采用多層結(jié)構(gòu)，還有使用匹配網(wǎng)絡(luò)等方法來展寬微帶貼片的駐波帶寬。在微帶傳輸線正對(duì)的或附近的地板上腐蝕與帶線正交的或傾斜的縫隙能夠形成較寬帶寬的輻射天線，其雙向輻射特性可以通過給一邊適當(dāng)?shù)奈恢眉咏饘侔宓牡姆椒▉斫鉀Q，為了使天線罩與天線成為一個(gè)整體，在微帶線的另一邊適當(dāng)?shù)奈恢眉右贿m當(dāng)強(qiáng)度、適當(dāng)厚度的介質(zhì)材料，但不像介紹的那樣帶上金屬貼片，作為天線罩，在單元的格林函數(shù)中計(jì)入包括3層空氣在內(nèi)的總共5層介質(zhì)的影響，設(shè)計(jì)各層的厚度、間距以及縫隙的參數(shù)等等，使微帶天線單元的駐波比帶寬達(dá)到指標(biāo)要求，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖6。圖1、2分別為單元輸入電壓駐波比的理論和實(shí)測(cè)曲線。

圖1輻射單元VSWR理論值

圖2輻射單元VSWR實(shí)測(cè)值

3陣列設(shè)計(jì)

天線的帶寬要求比較寬，同時(shí)天線的電尺寸相對(duì)不是很大，根據(jù)尺寸、波束及增益相互限制關(guān)系，天線單元之間的間距橫向選為0.65λ，縱向選為0.7λ，天線為8×16的陣列，天線饋電網(wǎng)絡(luò)為并行功分網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件二分功分器，普遍的設(shè)計(jì)是選擇Wilkinson隔離型功分器，但其成本較高，制作過程工序增加，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及分析計(jì)算（輸入電壓駐波比的分析結(jié)果見圖3），對(duì)于本天線而言采用不帶隔離的功分器完全能夠滿足技術(shù)要求，天線方向圖根據(jù)以下公式計(jì)算。

圖3輻射單元完全匹配條件下，理論計(jì)算的
天線陣列端口VSWR

圖4實(shí)際輻射單元條件下，實(shí)測(cè)的天線陣列端口VSWR