一種接地板開槽的耦合饋電緊湊型天線陣列

王 松，袁 濤，廖桂生

(西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室 西安 710071)

一種接地板開槽的耦合饋電緊湊型天線陣列

王 松，袁 濤，廖桂生

(西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室 西安 710071)

提出了一種接地板上開槽的耦合饋電緊湊型微帶天線陣。通過采用耦合饋電技術，其工作寬頻帶和增益等特性優(yōu)于傳統(tǒng)的微帶天線；在接地板開槽使得天線尺寸縮小，結(jié)構(gòu)十分緊湊。給出了2.4 GHz頻段天線陣列的實例，仿真和實驗結(jié)果表明，可實現(xiàn)10%的相對帶寬，并具有良好的輻射特性。

天線陣; 開槽; 緊湊; 耦合饋電

微帶天線陣已經(jīng)廣泛應用于飛機、航天飛行器、人造衛(wèi)星、導彈、雷達以及無線通信系統(tǒng)中[1-4]。作為陣列單元的微帶天線具有諸如重量輕、成本低、加工容易、易于批量生產(chǎn)、便于與平面或曲面的載體共形[5-6]等特點，這些特性提供了更多的設計和應用自由度。但是傳統(tǒng)微帶天線的推廣應用受到其固有缺點——工作頻帶窄的制約，其相對帶寬的典型值只有1%～2%[7]。研究人員已經(jīng)開發(fā)了許多增大頻帶寬度的技術，其中耦合饋電技術可以有效地擴展微帶天線的工作頻帶[8-9]。該技術采用兩塊介質(zhì)基片，在輻射貼片和接地板之間布置饋電網(wǎng)絡。通過重疊兩塊介質(zhì)基片增大了介質(zhì)層的厚度，從而增大了天線的工作帶寬。同時這種結(jié)構(gòu)還提供了可以選擇不同介電常數(shù)的兩塊介質(zhì)基片組成天線的機會，一塊基片印刷上輻射貼片，另一塊印刷上饋電網(wǎng)絡，輻射貼片和饋電網(wǎng)絡共用一個接地板。輻射貼片和饋電網(wǎng)絡可以分別進行優(yōu)化設計以滿足天線的指標要求。

本文提出了一種耦合饋電微帶天線陣，輻射單元下方的接地板上開有一個槽，這是本文的設計與其他耦合饋電微帶天線陣的區(qū)別所在。天線陣列工作在中心頻率為2.4 GHz的ISM頻段，單個單元的測量帶寬約為4.6%，增益為4.0 dBi，比傳統(tǒng)微帶天線單元具有更大的帶寬、更高的增益和更小的體積。另外，由于饋電網(wǎng)絡與輻射貼片在不同的層面上，因此陣列結(jié)構(gòu)得到壓縮。接地板上的槽口尺寸、位置，饋電網(wǎng)絡中饋電貼片的尺寸以及輻射貼片相對于兩條軸線的位置都可以進行調(diào)整，以達到最佳的阻抗匹配。

1 天線單元設計

本文提出的輻射單元的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

設計過程中上下兩層采用的材料均是相對介電常數(shù)為4.4、厚度為1.6 mm的FR4材料，調(diào)整各位置尺寸：輻射貼片的尺寸為25.7 m×m40 mm；饋電貼片的尺寸為7 m×m16 mm，其位置與輻射貼片饋電側(cè)邊的距離為6 mm；50 ?饋電微帶的寬度為3 mm。接地板上開有一矩形槽口，槽口尺寸為2 m×m14 mm，其水平位置緊鄰饋電貼片，如圖2所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

圖2 天線單元詳細尺寸(單位：mm)

陣元諧振在2.43 GHz，天線相對帶寬(VSWR<2)達到4.6%，增益為4.7 dBi。

為考察接地面開槽后對天線性能的影響，在原模型基礎上去掉接地板開槽后再次進行仿真，在其他尺寸不變的條件下天線諧振頻率為2.53 GHz，相對帶寬3.5%，可見采取地平面開槽后天線尺寸有所減小，天線單元的工作帶寬有所提高。具體仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 開槽前后天線駐波比的變化

圖4 開槽天線單元的輻射特性

為了進一步研究接地板開槽對天線尺寸縮減和阻抗帶寬增加的量化效果，將不開槽的天線調(diào)諧到相同頻率，其貼片尺寸增大到47.6 m×m28.3 mm，相對帶寬3.2%；可見開槽后天線面積縮減了28%，相對帶寬增加21.9%。

2 天線陣列設計

陣列采用2×2結(jié)構(gòu)設計，陣列結(jié)構(gòu)如圖5所示，陣元水平間距為60 mm，垂直間距為30 mm，4個陣元之間采用微帶線組成的功分網(wǎng)絡連接，饋電網(wǎng)絡與天線陣列的電磁仿真模型如圖6所示。

為了比對接地板開槽對天線陣列的帶寬影響，對兩款陣列天線的帶寬分別進行仿真，結(jié)果如圖7所示，開槽陣列的輻射特性仿真結(jié)果如圖8所示。

圖5 陣列結(jié)構(gòu)

圖6 天線陣列仿真模型與饋電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

圖7 加槽前后天線陣列的駐波比變化

圖8 天線陣列的輻射特性

接地板未加槽時其帶寬約為190 MHz，相對帶寬7.8%；采用接地板加槽的天線單元后，其帶寬寬展為290 MHz，相對帶寬11%。組陣后天線增益提高到9.6 dBi，比理論值略低，其原因是饋電網(wǎng)絡引入了少量的損耗。

3 天線實測結(jié)果與分析

根據(jù)以上仿真結(jié)果制作的天線陣列實物如圖9所示。

天線陣列的實測結(jié)果如圖10和圖11所示。

實測結(jié)果顯示增益為9.2 dBi，低于仿真結(jié)果0.4 dBi，天線相對帶寬為10%，總體來說仿真和實測結(jié)果吻合較好。

初步分析接地板開槽后天線尺寸縮減的機理是：接地板上的槽引起天線貼片上電流路徑彎曲，等效增加了電路路徑長度，從而縮小了天線尺寸。為此對加槽前后天線貼片的電流分布進行了仿真，結(jié)果如圖12所示，可見接地板加槽后天線貼片上的電流確實發(fā)生了彎曲，從而驗證了前面的假設；另外由于電流分布發(fā)生變化也導致諧振貼片的品質(zhì)因數(shù)下降，從而拓展了天線帶寬。

圖9 天線陣列實物

圖10 天線陣列駐波比測試結(jié)果

圖11 天線陣列輻射特性測試結(jié)果

圖12 天線貼片上電流分布的變化

4 結(jié) 論

本文設計了一種耦合饋電的微帶天線，通過在接地平面上開槽的方法縮小了天線尺寸，提高了天線的工作帶寬，通過對2×2陣列的仿真分析與天線實測表明，仿真結(jié)果與實測結(jié)果之間對應關系較好，證明耦合饋電結(jié)合接地板開槽可以有效提高天線工作帶寬并縮減天線體積。該方法具備結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于批量生產(chǎn)等一系列優(yōu)點，在通信領域有廣泛的應用前景。

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編輯稅 紅

Compact Proximity-Coupled Antenna Array with Apertures in the Ground

WANG Song, YUAN Tao, and LIAO Gui-sheng
(National Laboratory of Radar Signal Processing, Xidian University Xi'an 710071)

A compact proximity-coupled antenna array with apertures in the ground is presented. By using proximity-coupled technique, the antenna’s bandwidth and gain are much better than the conventional microstrip antenna. The compact structure is realized by adding aperture in the ground plane. An antenna array operate at 2.4 GHz is fabricated. The simulation and experiment results show that 10% bandwidth and some good radiation pattern are achieved.

antenna array; aperture; compact; proximity-coupled

TP312

A doi:10.3969/j.issn.1001-0548.2015.04.005

2013 ? 11 ? 21；

2015 ? 03 ? 25

王松(1969 ?), 男, 博士, 主要從事天線設計與陣列信號處理方面的研究.