一種低剖面寬帶縫隙耦合天線陣列設(shè)計(jì)

李寧 王元源 廖原

摘? 要：本文提出一種基于PCB層壓技術(shù)的低剖面寬帶縫隙耦合天線陣列。通過引入“啞鈴”形縫隙耦合結(jié)構(gòu)，形成頻帶內(nèi)多個(gè)寄生諧振頻率，來展寬天線工作帶寬。仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明16×16天線陣列各單元在12GHz-18GHz內(nèi)駐波比小于2.3。并且能夠滿足相控陣寬角掃描要求。

關(guān)鍵詞：縫隙耦合;寬帶天線;低剖面

中圖分類號(hào)：TN822? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）01-0026-04

Design of Low Profile Wideband Slot Coupled Antenna Array

LI Ning，WANG Yuanyuan，LIAO Yuan

（Xi’an Electronic Engineering Research Institute，Xi’an? 710100，China）

Abstract：In the paper a low profile wideband slot coupled antenna array is presented based on laminated PCB technology. The wideband characteristic is obtained by the “dumbbell” shape coupled structure which can get more resonant frequencies. The simulated computation and measured results indicate that the VSWR of this 16×16 antenna array is less than 2.3 in the frequency band from 12GHz to 18GHz. And it can meet the requirements of wide angle scanning of phased array.

Keywords：slot coupled;wideband antenna;low profile

0? 引? 言

隨著傳感器系統(tǒng)及衛(wèi)星通訊系統(tǒng)的飛速發(fā)展，具備波束快速掃描賦形及自適應(yīng)波束形成的寬帶有源相控陣[1]將成為其主流的硬件方案。有源相控陣具有天線波束的快速掃描與賦形、空間定向及空域?yàn)V波、掃描和跟蹤去耦合、空間功率合成、天線與載體平臺(tái)共形及自適應(yīng)多波束形成等優(yōu)勢(shì)[2]。本文通過認(rèn)真分析原有基于縫隙耦合微帶天線[3-7]的優(yōu)點(diǎn)以及存在的問題，提出一種新型“啞鈴”形耦合縫隙天線單元。該結(jié)構(gòu)通過貼片基板下方的內(nèi)層接地板上腐蝕出的啞鈴形縫隙，該縫隙在H形縫隙[8]基礎(chǔ)上，分別引入四處傾斜漸變結(jié)構(gòu)，形成天線的多個(gè)寄生諧振頻率，進(jìn)而起到展寬天線工作帶寬的作用。并設(shè)計(jì)、制造基于啞鈴縫隙耦合的16×16天線陣列，在天線單元間打金屬過孔以增加隔離度。仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果表明16×16陣列各單元在12GHz-18GHz頻段內(nèi)駐波比小于2.3。

1? 天線單元設(shè)計(jì)

1.1? 天線單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線單元采用基于縫隙耦合饋電的多層微帶結(jié)構(gòu)，包括矩形輻射貼片、啞鈴形耦合縫隙、復(fù)合式饋線、金屬地板、屏蔽結(jié)構(gòu)等主要部分。整個(gè)單元輻射層共由四層介質(zhì)板層壓構(gòu)成，多層板材料選擇相對(duì)介電常數(shù)εr=3的Taconic TSM-DS3高頻介質(zhì)基材，板間通過半固化片膠膜壓接，所選半固化片材料為介電常數(shù)εr=2.7的Taconic FR-27。如圖1所示，由上至下，輻射貼片基板厚度（hs1）為1.524mm，半固化片厚度（hp）為0.076mm，饋電層基板厚度（hs2）為0.254mm。金屬層為L(zhǎng)1-L5層。

L1層為金屬貼片輻射層，L2層為腐蝕出啞鈴形縫隙的一層，L3層為通過耦合饋電的饋線，L4層為金屬地層，其作用為降低貼片對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)的背向輻射干擾。L3層饋線通過L4層的孔洞，與L5層的微帶線相連，從而實(shí)現(xiàn)為天線單元饋電。

天線單元設(shè)計(jì)中縫隙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接影響天線性能，調(diào)節(jié)縫隙的結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)饋電層與輻射貼片的耦合度，本文提出的啞鈴縫隙結(jié)構(gòu)可以增加多個(gè)諧振點(diǎn)，從而達(dá)到展寬帶寬的作用。

在充分考慮多層板結(jié)構(gòu)的誤差會(huì)對(duì)高頻頻段天線性能產(chǎn)生影響的情況下，利用Ansoft HFSS軟件對(duì)模型進(jìn)行了多次優(yōu)化。最終天線單元的仿真結(jié)果顯示：天線單元在Ku頻段有多個(gè)諧振點(diǎn)，在12GHz-18GHz內(nèi)駐波比會(huì)低于2.3，除高頻點(diǎn)較高外，其他頻帶均滿足要求。

2.2? 天線單元實(shí)物與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)上一節(jié)的仿真優(yōu)化參數(shù)，運(yùn)用多層層壓PCB技術(shù)制造的天線實(shí)物如圖2所示。在12GHz-18GHz頻帶內(nèi)對(duì)天線單元的駐波比以及輻射方向圖進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3給出了天線單元的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，12GHz-18GHz頻帶內(nèi)天線單元駐波比在2.3以下，除高頻點(diǎn)駐波比高于2，其他頻帶滿足駐波比低于2的要求。相對(duì)帶寬達(dá)到40%，具備良好的輻射特性。

2? 天線陣列設(shè)計(jì)

2.1? 天線陣列仿真設(shè)計(jì)

從天線單元的仿真與實(shí)物測(cè)試中可以看出，該類基于啞鈴形的縫隙耦合天線可以實(shí)現(xiàn)在Ku頻段內(nèi)駐波比小于2.3，并且具有良好的輻射特性?；诖?，本節(jié)將在原基礎(chǔ)上進(jìn)行對(duì)16×16天線陣列的仿真與測(cè)試。

由于仿真天線陣列需要龐大的計(jì)算量，所以在仿真過程中先運(yùn)用二維周期性主-從邊界法來模擬無線陣列進(jìn)行仿真。運(yùn)用Ansoft HFSS軟件仿真得到的數(shù)據(jù)表明陣列的有源駐波比在高頻段有一定的惡化，高頻端有源駐波比在2.6左右。

2.2? 天線陣列實(shí)物與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

在2.1節(jié)天線陣列仿真設(shè)計(jì)對(duì)天線單元進(jìn)行二維周期性主-從邊界法的仿真中，天線陣列在Ku（12GHz-18GHz）頻段除高頻點(diǎn)以外均滿足駐波比低于2的要求。該節(jié)根據(jù)仿真分析結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)件的加工，實(shí)物圖如圖4所示。并對(duì)實(shí)物陣列各單元的駐波比及遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖進(jìn)行了測(cè)試。

由于天線單元過多，無法一一列舉，圖5-圖7列舉了天線陣中單元的電壓駐波比及輻射方向圖。

圖8-圖10列舉了陣列邊緣單元的電壓駐波比及輻射方向圖。

由各單元的測(cè)試數(shù)據(jù)知：在Ku（12GHz-18GHz）頻段內(nèi)，天線陣列陣中單元及陣列邊緣單元電壓駐波比小于1.7。但天線陣列由于背部鋁板熱脹冷縮的問題，陣中部分金屬背板中心位置相對(duì)四角的形變達(dá)到了0.4mm以上，導(dǎo)致連接器與微帶陣面焊接區(qū)域不能完全接觸，引起陣中部分單元駐波比較大。最終天線陣列整體駐波比控制在2.3以內(nèi)。

4? 結(jié)? 論

本文為了滿足傳感器系統(tǒng)及衛(wèi)星通訊系統(tǒng)飛速發(fā)展下對(duì)寬帶有源相控陣的需求，設(shè)計(jì)并加工了基于啞鈴形縫隙耦合的天線單元以及16×16天線陣列。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明天線單元的電壓駐波比低于2.3，16×16陣列天線中天線單元電壓駐波比均在2.3以下。40%的相對(duì)帶寬以及天線單元較小的橫向尺寸（18GHz對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的0.57倍）使該天線具有相控陣大角度掃描的能力。

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