摘要：介紹了一種寬帶微帶貼片天線單元及2元陣列的設計方法，天線工作的中心頻率為2．5 GHz(S波段)。天線單元設計中采用口徑耦合理論和層疊貼片天線結構，有效增大了天線的阻抗帶寬。仿真結果表明該天線陣列實際增益達到11．9 dB；在2．27～2．78 GHz頻率范圍內(nèi)端口駐波比小于2，相對帶寬為20．4％；交叉極化電平為-31 dB，證明該天線陣具有寬頻帶、低交叉極化等優(yōu)良性能。
關鍵詞：寬帶；口徑耦合；層疊貼片天線；微帶天線
0 引言
微帶天線是應用最廣泛的天線之一，它具有體積小、重量輕、低剖面、能與載體共形等優(yōu)點，目前已成為天線領域中研究的熱點之一。采用層疊貼片天線結構可以有效增加微帶天線帶寬；采用口徑耦合的饋電方式可以減少饋電網(wǎng)絡對天線輻射單元的耦合。
本文綜合運用口徑耦合理論、多層貼片結構設計出一種工作在S波段的寬帶微帶貼片天線單元，并以該天線單元為基礎，采用E面排列形式組成2元線陣。利用電磁仿真軟件對該天線陣進行了仿真優(yōu)化。文中給出了仿真結果，證明該天線陣具有寬頻帶、低交叉極化等優(yōu)良性能。
1 天線單元設計
設計的天線單元結構如圖1所示。單元采用有利于展寬天線頻帶的雙層方形貼片結構，下層為激勵貼片，尺寸為46 mm；上層為寄生貼片，尺寸為40 mm。第一、二層介質板使用介電常數(shù)較低的泡沫材料，以利于場的輻射，同時也降低了微帶天線的Q值，進一步增加了天線的帶寬。第一層介質板厚度為11 mm，第二層介質板厚度為4 mm。第三層介質板為饋電層，使用介電常數(shù)較高的環(huán)氧樹脂材料，以利于場的束縛，厚度為1 mm。第二、三層介質板之間為開縫接地板，在中心位置刻有一條矩形縫，縫寬為6 mm，縫長為24 mm。第三層介質板的下方是饋電網(wǎng)絡，微帶饋線采用中心正饋的方式，以增強輻射貼片與饋線之間的耦合，饋線寬度為1 mm。
仿真得到的天線單元的VSWR如圖2所示。在2．22～2．72 GHz的頻率范圍內(nèi)VSWR小于2，相對阻抗帶寬為20％，與相對阻抗帶寬僅為5％的單層貼片微帶天線相比，帶寬增加了15％。該天線單元的實際增益達到了8．4 dB，如圖3所示。
2 天線陣列的設計
為了獲得較高增益，必須對微帶天線單元進行組陣。本文以上述天線單元為基礎，設計出了2元微帶線陣。陣列結構如圖4所示，陣列的饋電網(wǎng)絡采用并饋形式，兩個陣元之間采用E面排列形式，通過一個等幅同相微帶T型功分器連接組成。其中，微帶T型功分器采用多節(jié)阻抗變換段進行阻抗匹配以便展寬頻帶。本文設計的微帶T型功分器由兩級阻抗變換段組成，如圖5所示。
第一級阻抗變換段長度為16 mm，微帶線寬度為2．4 mm；第二級阻抗變換段長度為15 mm，微帶線寬度為0．89 mm。圖6為該微帶T型功分器的反射系數(shù)曲線圖，可以看出采用了兩級阻抗變換段的微帶T型功分器在較寬的工作頻帶內(nèi)保持了較小的反射系數(shù)。研究表明：當d／λ0(d為陣元之間的間距，λ0為中心頻率點的波長)取0．7～0．8時，增益和方向系數(shù)達到最佳。文中天線陣元之間的間距取84 mm，約0．7λ0。此外，設計中饋線轉彎處均采用45°彎角，并充分考慮了饋電網(wǎng)絡中不必要的輻射和損耗對天線增益帶來的影響。
基于以上設計，利用電磁仿真軟件CST對該天線陣列進行了仿真和優(yōu)化。
圖7給出了陣列端口的駐波比。
圖8給出了中心頻率點處陣列的實際增益方向圖。
圖9給出了交叉極化電平隨頻率變化曲線。
以上仿真結果表明：該天線陣實際增益達到11．9 dB；在2．27～2．78 GHz頻率范圍內(nèi)VSWR小于2，相對帶寬為20．4％；在此頻率范圍內(nèi)E面交叉極化電平小于-27 dB，H面交叉極化電平小于-26 dB；在中心頻率點處E面交叉極化電平為-31 dB，H面交叉極化電平小于-29 dB。由此可見，該天線陣列具有寬頻帶、低交叉極化等優(yōu)良性能。
3 結論
微帶天線的主要缺點是頻帶較窄，獲得較寬的工作頻帶一直是該領域研究中的一個難點。本文綜合運用口徑耦合理論、層疊貼片結構設計了一種寬帶微帶貼片天線單元及兩元陣列結構?？趶今詈系酿侂姺绞揭约皩盈B貼片天線結構可以獲得較寬的頻帶。仿真結果證明該微帶天線陣列具有寬頻帶、低交叉極化等優(yōu)良性能，有良好的應用前景。
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