新型背腔式對(duì)數(shù)周期縫隙天線陣列設(shè)計(jì)*

楊曉藝，翟曉軍，程馨瑩，何凱凱

（武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院，西安　710086）

?

新型背腔式對(duì)數(shù)周期縫隙天線陣列設(shè)計(jì)*

楊曉藝，翟曉軍，程馨瑩，何凱凱

（武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院，西安710086）

摘要：介紹了一種新型背腔式對(duì)數(shù)周期縫隙天線單元，對(duì)其各參數(shù)特性進(jìn)行了分析，并采用這種新型天線單元設(shè)計(jì)了9×7天線陣列。通過HFSS13進(jìn)行天線陣列的設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，該天線陣列在1.5GHz～6GHz的工作帶寬內(nèi)，駐波比小于3，回波損耗小于-10dB，天線陣列最大增益為29.6dBi，在整個(gè)工作帶寬內(nèi)，增益均大于20dBi。具有良好的定向輻射能力，可用于UWB雷達(dá)、探測(cè)等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：超寬帶，對(duì)數(shù)周期縫隙天線，天線陣列

0　引言

超寬帶（Ultra Wide-Band，UWB）技術(shù)具有傳輸速率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)、安全性高、系統(tǒng)串?dāng)_低、有利于多功能一體化等優(yōu)點(diǎn)，在通信與雷達(dá)領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用，成為近年來通信系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)［1］。2002年，美國(guó)FFC規(guī)定超寬帶天線頻段為3.1 GHz～10.6 GHz，超寬帶技術(shù)引起國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注［2-4］。在超寬帶系統(tǒng)中，對(duì)于系統(tǒng)中天線的設(shè)計(jì)要求相當(dāng)嚴(yán)苛［5］。超寬帶通信系統(tǒng)不僅要求天線具有很小的體積、較寬的帶寬、良好的輻射效率和全向覆蓋特性，還要具備較好的信號(hào)保真度。超寬帶天線作為重要的收發(fā)設(shè)備，扮演著不可替代的作用。

許多超寬帶天線雖具有較大的阻抗帶寬和良好的輻射方向圖，卻由于其增益較低、定向性較差無法實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)用，因此，提高超寬帶天線的增益，改善天線的方向圖特性已成為超寬帶技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。

基于以上需求，本文分析了一種采用新型諧振腔的對(duì)數(shù)周期縫隙天線［6］。并以其作為陣列單元，設(shè)計(jì)了一種9×7陣列天線，通過在陣中優(yōu)化參數(shù)使單個(gè)天線單元在工作帶寬1.5 GHz～6 GHz頻帶內(nèi)擁有良好的駐波特性。采用一個(gè)5級(jí)1分3微帶寬帶威爾金森功分器饋電。天線陣列在1.5 GHz～6 GHz頻帶范圍內(nèi)不但滿足駐波比小于3，回波損耗小于-10 dB，最大增益為29.6 dBi，并且表現(xiàn)出優(yōu)良的定向輻射特性。

1　天線單元仿真與分析

文獻(xiàn)［6］提出了一種采用新型背腔的對(duì)數(shù)周期縫隙天線。通過HFSS13.0軟件的仿真，其天線單元模型如圖1。這種新型諧振腔的對(duì)數(shù)周期縫隙天線，工作頻段為0.9 GHz～5 GHz，工作頻率相對(duì)較低，更適于遠(yuǎn)程通信。為了使腔體在整個(gè)帶寬內(nèi)諧振，改善低頻的阻抗匹配特性，盡量減小增益損失，固定了一塊尺寸經(jīng)過優(yōu)化的L型的電阻吸波材料在低頻縫隙的下側(cè)。同時(shí)，由于縫隙天線中心縫隙較小而諧振波長(zhǎng)較短，因而在諧振腔的底部中心設(shè)置一個(gè)階梯，從而使諧振腔深度相對(duì)較小。新型諧振腔以及吸波材料的應(yīng)用使得天線可以最低工作在0.9 GHz，且具有良好的定向輻射性能，也提高了天線的增益［6］。該天線具有的這些優(yōu)點(diǎn)使其更適于應(yīng)用在超寬帶探測(cè)和軍事領(lǐng)域。天線單元尺寸為95 mm×95 mm×19 mm。

圖1　天線單元結(jié)構(gòu)

圖2給出了天線單元的駐波特性。由圖2可以看出天線駐波比小于3的工作頻帶為1.442GHz～6GHz。圖3給出了增益隨頻率變化曲線。由圖3可以看出天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)的平均增益約為6 dBi，最高增益可達(dá)9 dBi，天線增益很理想。這種新型背腔結(jié)構(gòu)大大改進(jìn)了天線的特性，使得天線具有良好的遠(yuǎn)距離通信能力。

圖2　天線單元駐波特性

圖3　天線單元增益隨頻率變化曲線

2　天線陣列設(shè)計(jì)與仿真

為進(jìn)一步提高天線增益，在上述天線單元的基礎(chǔ)上，采用一個(gè)5級(jí)1分3微帶寬帶威爾金森功分器構(gòu)成饋電層，并設(shè)計(jì)了天線陣列。饋電層選用介電常數(shù)為2.2，厚度為1 mm的介質(zhì)板設(shè)計(jì)而成，尺寸為107.515 mm×25 mm。1分3功分器的HFSS仿真模型圖如圖4所示。

圖4　功分器HFSS模型

以新型背腔式對(duì)數(shù)周期縫隙天線作為陣列單元的天線陣列結(jié)構(gòu)如圖5所示。在限制工作帶寬的前提下，增益的提高非常有限。為了保證天線工作帶寬，陣列單元尺寸與文獻(xiàn)［6］中保持一致，天線單元尺寸為95 mm×95 mm×19 mm。其駐波特性不變，仍然工作在1.5 GHz～6 GHz。通過HFSS 13.0軟件進(jìn)行仿真和優(yōu)化，最終確定陣列形式為陣元在X方向和Y方向間隔100 mm均勻放置，且等幅同相激勵(lì)。沿著X方向放置9個(gè)陣元，沿著Y方向放置7個(gè)陣元，組成9×7陣列。

圖5　陣列結(jié)構(gòu)

下頁圖6中的天線陣列在1.5 GHz～2.65 GHz的工作頻帶內(nèi)，駐波比小于3；在2.65 GHz～6 GHz的工作頻帶內(nèi)，駐波比小于2。與圖2相比，天線陣列的駐波比降低，減小了饋線的損耗，從而提高了饋線向天線的輸入功率，增大了天線的輻射功率。

下頁圖7所示為天線陣列的增益。與圖3相比，在整個(gè)工作帶寬內(nèi)，天線增益均大于20 dBi，天線增益隨頻率逐漸增大，高于傳統(tǒng)天線陣列的最大增益。由于吸波材料，天線在1.8 GHz～2.1 GHz與4.5 GHz～4.7 GHz頻段效率較低，反映在增益曲線上即在這兩個(gè)頻段內(nèi)曲線下凹，最小值約為20.5 dBi。天線的增益隨頻率逐漸增大，在5 GHz～5.5 GHz可以達(dá)到29 dBi，最大增益為29.6 dBi，天線增益大大提高，也使得天線具有良好的遠(yuǎn)距離通信能力。

圖6　天線陣列駐波特性

圖7　天線陣列的增益隨頻率的變化曲線

圖8為天線陣列的仿真方向圖。對(duì)比各頻點(diǎn)方向圖發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)頻帶內(nèi)天線陣列具有良好的定向輻射能力且方向圖一致性良好。由圖8（d）可以看出4.5GHz時(shí)天線的增益相對(duì)其他頻點(diǎn)較低，這是由于諧振腔內(nèi)部吸波材料有消耗，使得該頻段天線效率下降。

3　結(jié)論

本文介紹并分析了一種采用新型諧振腔的對(duì)數(shù)周期縫隙天線，并以其作為陣列單元，設(shè)計(jì)了一種9×7天線陣列。設(shè)計(jì)的天線陣列在1.5 GHz～6 GHz的工作帶寬內(nèi)，不僅保持了天線單元的特性，還使得天線陣列增益大大提高，定向性良好，滿足了實(shí)際應(yīng)用的需要，因此，該陣列天線可實(shí)現(xiàn)良好的遠(yuǎn)距離通信能力和探測(cè)能力。由此表明該天線陣列具有帶寬寬、增益高、定向輻射良好及方向圖一致性的優(yōu)點(diǎn)，使其適于應(yīng)用在定位、探測(cè)、超寬帶雷達(dá)和超寬帶遠(yuǎn)程通信領(lǐng)域。

圖8　天線陣列各頻點(diǎn)的方向圖

參考文獻(xiàn)：

［1］FONTANA R J. Recent system applications of short-pulse ultra-wideband（UWB）technology［J］.IEEE Trans. MTT，2004，52（9）：2087-2104.

［2］REN Y J，CHANG K. An annual ring antenna for UWB communications［J］.IEEE Antennas Wireless Propagation Letters，2006，5（5）：274-276.

［3］CHEN Y L，RUAN C L，PENG L.A novel ultra-wide-band bow-tie slot antenna in wireless communication systems［J］. Progress In Electromagnetics Research Letters，2008，1（5）：101-108.

［4］張文梅，陳雪，韓國(guó)瑞，等.平面超寬帶天線的設(shè)計(jì)與研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23（2）：335-339.

［5］王新穩(wěn)，李平，李延平.微波技術(shù)與天線［M］.北京.電子工業(yè)出版社，2008：143-144.

［6］劉英，王偉，陳玉東，等.采用新型背腔的對(duì)數(shù)周期縫隙天線［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，29（2）：232-236.

Design of Log- periodic Slot Antenna Array with Novel Cavity

YANG Xiao-yi，ZHAI Xiao-jun，CHENG Xin-ying，HE Kai-kai
（School of Equipment Engineering，Engineering College of the Armed Police Forces，Xi’an 710086，China）

Abstract：A Log-periodic Slot Antenna with novel cavity is introduced，various parameters are analyzed. A 9×7 log-periodic slot antenna array based on this novel element.Antenna array is designed by HFSS13.The simulated result shows that the antenna array operates in 1.5 GHz～6 GHz.Within the band，return loss is below 3，VSWR is below -10 dB，the antenna gain is upper than 20 dBi and the maxim gain is 29.6 dBi.The antenna array has good unidirectional radiation patterns，which makes the antenna array suitable for the application in UWB radar and detection.

Key words：UWB，log-periodic slot antenna，antenna array

中圖分類號(hào)：TN82

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0640（2016）05-0134-03

收稿日期：2015-09-05修回日期：2015-10-17

*基金項(xiàng)目：武警部隊(duì)裝備科研基金資助項(xiàng)目（WK2014-Y6）

作者簡(jiǎn)介：楊曉藝（1992-），女，四川江油人，碩士研究生。研究方向：軍事裝備學(xué)，超寬帶天線。