X波段天線陣列的設(shè)計(jì)

五邑大學(xué)信息工程學(xué)院 李繼嵐江門出入境檢驗(yàn)檢疫局 王春利五邑大學(xué)信息工程學(xué)院 張 昕

X波段天線陣列的設(shè)計(jì)

五邑大學(xué)信息工程學(xué)院 李繼嵐江門出入境檢驗(yàn)檢疫局 王春利五邑大學(xué)信息工程學(xué)院 張 昕

本文在準(zhǔn)八木微帶天線的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種工作在X波段的單元天線。在準(zhǔn)八木微帶天線上增加兩個(gè)引向器、展寬激勵(lì)陣子和引向陣子寬度設(shè)計(jì)單元天線，并將單元天線進(jìn)行組陣設(shè)計(jì)以提高天線的帶寬及增益。利用電磁仿真軟件HFSS對單元天線和陣列天線進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：陣列天線帶寬比單元天線帶寬展寬了20%，增益提高了1．5dB。該單元天線具有良好的應(yīng)用前景，而其較小的尺寸便于進(jìn)行天線的組陣設(shè)計(jì)。

準(zhǔn)八木天線；微帶天線；陣列天線

1 引言

隨著無線通信技術(shù)的日益發(fā)展，微帶天線因重量輕、 體型小和制作簡單等優(yōu)點(diǎn)越來越表現(xiàn)出很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值[1]。但微帶天線帶寬較窄，如何在提高帶寬的同時(shí)保證天線的增益成為近年來的研究熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[2]中采用 Vivaldi 天線做為陣列單元，設(shè)計(jì)了一種 X 波段寬帶寬角掃描相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的小型陣列天線。文獻(xiàn)[3]以八木天線為單元天線進(jìn)行組陣，設(shè)計(jì)了一個(gè)兩單元天線陣。文獻(xiàn)[4]充分利用準(zhǔn)八木天線的空間，增加兩個(gè)寄生貼片和振子耦合枝節(jié)以提高天線的相對帶寬，在天線背面加入一組引向振子以提高天線的增益。文獻(xiàn)[5]將微帶貼片天線進(jìn)行組陣設(shè)計(jì)以增強(qiáng)帶寬和增益。文獻(xiàn)[6]提出并驗(yàn)證了引向器的大小和位置是影響天線單元增益的主要因素。文獻(xiàn)[7]證實(shí)了準(zhǔn)八木天線雙臂振子之間距離對天線插入損耗的影響。

本文綜合以上文獻(xiàn)對準(zhǔn)八木微帶天線進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過增加引向器以提高天線的增益，展寬雙臂振子的寬度以提高帶寬,經(jīng)優(yōu)化分析設(shè)計(jì)出一種具有寬帶特性的天線單元。利用1×2功分器進(jìn)行組陣設(shè)計(jì)補(bǔ)充單元天線在增益和帶寬上的不足。

2 天線設(shè)計(jì)

2.1 單元天線的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)單元天線如圖1所示，選用介電常數(shù)為10.2、厚度為0.508mm、損耗正切角為0.023的Rogers RT-duroid 6100介質(zhì)板，尺寸為，中心頻率10GHz，其等效相對介電常數(shù)εe為[4]：

電磁波在介質(zhì)中的工作波長為：

其中，c為自由空間光速，f0為天線的中心頻率，εr為天線的相對介電常數(shù)，h為介質(zhì)板的厚度，w為微帶線寬度。為了保證較高的輻射效率，理論上陣子的實(shí)用寬度為：

2.2 陣列天線的設(shè)計(jì)

陣列天線重點(diǎn)是功分器的設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)一種一分二功分器，將輸入端口的信號(hào)等幅同相的饋送到各個(gè)單元天線。a為輸入端傳輸線，b為四分之一波長阻抗變換傳輸線，c、e為一分二輸出端傳輸線的一個(gè)端口。如果輸入輸出端口阻抗，則。根據(jù)微帶線計(jì)算軟件TXline算出功分器的各個(gè)參數(shù)值為：

圖1 單元天線結(jié)構(gòu)圖

圖2 陣列天線結(jié)構(gòu)圖

3 仿真分析

經(jīng)優(yōu)化仿真后單元天線與陣列天線性能對比如表1所示。二者的S11參數(shù)、電壓駐波比（VSWR）和3D增益的對比圖分別如圖3、圖4、圖5和圖6所示。從圖3中可以看出單元天線回波損耗最低點(diǎn)為-24dB，諧振頻率為10GHz，帶寬為32%（）；陣列天線回波損耗最低點(diǎn)為-40dB，諧振頻率為9.8GHz，帶寬為50%；陣列天線的諧振頻率相對于單元天線有所偏移，但從回波損耗看出陣列天線的阻抗匹配特性要優(yōu)于單元天線。從圖4中可以看出VSWR≤ 2時(shí)，單元天線帶寬為33.7%；陣列天線帶寬為50%。從圖3和4中可以看出陣列天線的帶寬比單元天線展寬了20%。從圖5中可以看出單元天線的最大增益為3.57dB；從圖6中可以看出陣列天線的最大增益為5.03dB；增益提高了1.5dB。

圖3天線S11參數(shù)曲線圖

圖4 天線VSWR曲線圖

圖5 單元天線3D增益

圖6 陣列天線3D增益

表1 單元天線與陣列天線性能對比

4 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)仿真證實(shí)了在傳統(tǒng)的微帶準(zhǔn)八木天線基礎(chǔ)上增加兩個(gè)引向器和展寬陣子的方式可以提高天線的帶寬和增益。該單元天線組陣后性能優(yōu)于單元天線。但其諧振頻率有一定的偏移，在以后的工作中可以增加陣元數(shù)進(jìn)行優(yōu)化仿真以取得更優(yōu)的增益和帶寬。該陣列和單元天線均具有良好的應(yīng)用前景。

[1]佘川飛,李彪．一種具有寬帶寬角特性的改進(jìn)型準(zhǔn)八木天線[J]．科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào),2011,09(1):39-43．

[2]鄭貴,王建,司海峰等．X波段寬帶寬角掃描相控陣天線的設(shè)計(jì)[J]．現(xiàn)代雷達(dá),2015,37(10):46-50．

[3]黃朝暉,姜興．超寬帶準(zhǔn)八木天線陣列設(shè)計(jì)[J]．桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(2):97-100．

[4]倪國旗,張濤,倪圍,等．一種微帶準(zhǔn)八木天線的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]．微波學(xué)報(bào),2013,29(1):51-54．

[5]Sharma P,Gupta S．Bandwidth and gain enhancement in microstrip antenna array for 8GHz frequency applications[C]．Students Conference on Engineering and Systems,2014:1-6．

[6]王鵬,陳文華,馮正和．準(zhǔn)八木型寬帶高增益微帶天線的設(shè)計(jì)[C]．全國天線年會(huì),2009．

[7]郭俊,王鋒,金謀平．準(zhǔn)八木型寬帶微帶天線單元的設(shè)計(jì)[J]．雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2002(2):25-27．

[8]陳明,朱先成．基于八木天線的雙頻帶微帶天線[J]．西安郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2016,21(1):72-75．

李繼嵐（1993—），女，河南人，五邑大學(xué)信息工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)樘炀€理論與技術(shù)。

2014年廣東省教育廳特色創(chuàng)新類項(xiàng)目（2014KTSCX134）。

王春利（1982—），男，黑龍江人，江門出入境檢驗(yàn)檢疫局高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閮x器分析。

張昕（1965—），男，黑龍江哈爾濱人，五邑大學(xué)信息工程學(xué)院教授，研究方向?yàn)樘炀€理論與技術(shù)。