12.5GHz 4×4微帶天線陣列的設(shè)計(jì)

　　隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，小型化、大容量的通信系統(tǒng)成為現(xiàn)在以至于為來的主要發(fā)展目標(biāo)。由于雙極化天線具有同頻段的雙通道通信、提高通信容量、實(shí)現(xiàn)雙工操作、可以提高系統(tǒng)靈敏度、抗多徑效應(yīng)等性能，從而日益得到人們的青睞。由于微帶貼片天線在饋電方式和極化制式的多樣化，以及饋電網(wǎng)絡(luò)、有源電路集成一體化等方面具有很多的優(yōu)點(diǎn)，從而采用雙極化天線成為提高通信容量的一種比較實(shí)際的做法。目前常用的雙極化工作方式主要有兩類，第一就是利用方貼片作為輻射單元，對(duì)方貼片天線采用正交邊雙饋電就能激勵(lì)一對(duì)極化方向相互垂直的輻射波。第二就是利用不同層的天線陣列分別實(shí)現(xiàn)不同的極化，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作困難，造價(jià)高。我們采用在同一平面上實(shí)現(xiàn)兩種極化方式，貼片單元的饋電方式卻不用改變。本文就是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了這種雙極化微帶天線陣列的組陣單元-4×4天線陣列。

　　1 微帶天線陣列的設(shè)計(jì)

　　本文采用的貼片天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中圖(a)為天線結(jié)構(gòu)，由貼片層、介質(zhì)層和接地層組成。圖(b)為微帶貼片單元的基本結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整微帶貼片單元的饋電方式就可以實(shí)現(xiàn)水平、垂直極化兩種極化方式。圖(c)為最基本的組陣單元2×2的結(jié)構(gòu)圖。

　　圖1 貼片天線的基本結(jié)構(gòu)

　　設(shè)計(jì)過程中貼片層和接地層都采用銅，介質(zhì)層采用介電常數(shù)為2.2的Rogers RT/duroid 5880。根據(jù)天線工作的中心頻率12.5GHz，微帶貼片天線單元的長(zhǎng)和寬、反饋部分的長(zhǎng)寬、組陣單元之間的阻抗匹配以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)都可以通過計(jì)算或者仿真優(yōu)化得到。根據(jù)以上的計(jì)算及仿真數(shù)據(jù)，我們制成了天線的PCB板，4×4微帶天線陣列的實(shí)物圖如圖2所示。

　　圖2 4×4微帶天線陣列的實(shí)物圖

　　2 微帶天線陣列的仿真和測(cè)試結(jié)果

　　我們通過Ansoft HFSS仿真軟件對(duì)天線陣列首先進(jìn)行了仿真計(jì)算，圖3為4×4微帶天線陣列駐波和增益的仿真圖。從左圖的駐波仿真結(jié)果中，可以看到天線陣列在12.5GHz時(shí)的駐波為1.2左右;從右圖的增益仿真結(jié)果中可以看到，天線陣列的增益可以達(dá)到20dB左右。然后將制成的PCB板拿到微波暗室中對(duì)其進(jìn)行實(shí)際測(cè)試(暗室的長(zhǎng)、寬、高分別為15m、9m和9m，用于測(cè)試的發(fā)送天線和接收天線的距離為10m，測(cè)試天線距離地面的高度為2.5m)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果分別如圖4、圖5、圖6所示。其中圖4為天線陣列的駐波測(cè)試結(jié)果，圖5為天線陣列分別在12.25GHz、12.5GHz、12.75GHz時(shí)的E面方向圖。圖4為天線陣列分別在12.25GHz、12.5GHz、12.75GHz時(shí)的H面方向圖。表1為天線陣列在H面的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)。

　　圖3 4×4微帶天線陣列駐波和增益的仿真圖

　　圖4 4×4天線陣列的駐波實(shí)測(cè)圖

　　表1 天線陣列在H面的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)。

　　圖5 4×4天線陣列在12.25GHz、

　　12.5GHz、12.75GHz時(shí)的E面方向圖。

　　圖6 4×4天線陣列在12.25GHz、12.5GHz、

　　12.75GHz時(shí)的H面方向圖。

　　從實(shí)際測(cè)試結(jié)果中，我們可以看到12.5GHz時(shí)天線陣列的駐波小于2，中心點(diǎn)稍微有點(diǎn)偏移，實(shí)際的增益測(cè)試結(jié)果為19.24 dBi。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果之間雖然存在一定的差異，但是測(cè)試結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)的需求。這些差異的存在可能是天線制版因素，測(cè)試環(huán)境、測(cè)試方案、電纜接頭損耗等等實(shí)際狀況引起，這是實(shí)際制作中不能避免的因素。

　　3 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的雙極化相控陣天線基本組陣單元通過仿真、制作、加工和測(cè)試后，所得結(jié)果滿足實(shí)際的設(shè)計(jì)需求。為我們?cè)谕粚用嫔蠈?shí)現(xiàn)雙極化天線的設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)，為以后新型雙極化相控陣天線的研究提供了可靠的理論和實(shí)踐依據(jù)。