超短波寬帶高增益穩(wěn)定度全向陣列天線設(shè)計

張 歡，潘昱旭，郭慶功

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

超短波頻段天線具有遠(yuǎn)視距通信特性，在各個領(lǐng)域的遠(yuǎn)距離通信中得到廣泛的應(yīng)用，尤其是海陸空點(diǎn)對點(diǎn)的遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)中。微帶天線具有低剖面、易加工、成本低、能與有源器件集成等優(yōu)點(diǎn)，隨著無人機(jī)、特殊飛行器等無線通信系統(tǒng)應(yīng)用需求的增長，要求微帶天線獲得更寬的帶寬和更穩(wěn)定的增益。研究者們提出阻抗加載[1-4]、新型并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)[5]、寄生技術(shù)[6]、U型槽[7]等一系列方法來拓展微帶天線帶寬。其中，文獻(xiàn)[1]設(shè)計了一種共面波導(dǎo)饋電印刷全向偶極子陣列天線，通過添加阻抗調(diào)諧器(饋電處添加金屬條)獲得16.3%的阻抗帶寬；文獻(xiàn)[3]提出了一種安裝在無人機(jī)上的寬帶全向垂直極化天線；通過在添加短路引腳將阻抗帶寬拓展為24.7%；文獻(xiàn)[7]設(shè)計了一種寬帶雙波束微帶天線，用U型槽技術(shù)實(shí)現(xiàn)了天線帶寬的展寬，獲得11.8%的阻抗帶寬。然而，拓展的帶寬仍然無法滿足天線在某些頻段的應(yīng)用，并且在頻段內(nèi)全向特性相對較差，增益穩(wěn)定性較低。為解決增益穩(wěn)定性問題，研究者們提出開槽技術(shù)[8-10]來獲得頻帶內(nèi)平坦增益，文獻(xiàn)[8]提出了一個基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的雙開槽介質(zhì)基片穩(wěn)定增益印刷對數(shù)周期偶極子天線，通過引入開槽介質(zhì)基板，使天線的阻抗帶寬不明顯地偏移，有效地提高了天線的低頻增益，實(shí)現(xiàn)在33%的阻抗帶寬內(nèi)天線的增益穩(wěn)定度為±0.75 dB。上述設(shè)計雖獲得較為平坦的增益，但天線尺寸普遍偏大，無法滿足許多實(shí)際工程需求。

為進(jìn)一步拓展微帶天線帶寬并獲得良好的增益穩(wěn)定度，本文通過采用雙面互補(bǔ)結(jié)構(gòu)、添加非對稱枝節(jié)、平行雙線并聯(lián)饋電等技術(shù)，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一款寬頻帶高增益穩(wěn)定度微帶陣列天線。

1 理論分析

印制偶極子天線主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：① 偶極子的兩個振子臂均印制在介質(zhì)基板的同一面，然后用類平行耦合線分別與兩個振子臂相連接。這種偶極子的方向圖與普通對稱振子相同，只是交叉極化比較嚴(yán)重，并且類平行耦合線與饋電同軸線之間要用巴倫來實(shí)現(xiàn)從非平衡結(jié)構(gòu)到平衡結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。② 偶極子的兩個振子臂分別印制在介質(zhì)基板的上下兩面，然后用平行耦合線與兩振子臂將介質(zhì)基板上下兩層相連。這種設(shè)計的交叉極化較低，而且饋電結(jié)構(gòu)更為簡單。

雙偶極子型振子帶寬展寬的原理可以看做是將振子臂加粗，從而使帶寬變寬。也可將上下兩層的振子臂看做是寄生結(jié)構(gòu)，兩層的振子臂互相耦合，從而展寬了帶寬。偶極子的主要參數(shù)是振子臂的長度和寬度，而對其他的尺寸(例如振子臂之間的距離)沒有嚴(yán)格要求。一般情況下，振子臂的寬度越寬，天線的帶寬越寬。輻射單元振子臂總長近似為工作頻率對應(yīng)的自由空間波長的一半，實(shí)際設(shè)計中由于介質(zhì)的影響，振子臂長略小于自由空間波長的一半。

采用平行雙線對印刷偶極子單元進(jìn)行饋電，其特性阻抗可以由寬度相等、介質(zhì)厚度減半的微帶線的特性阻抗來等效求得。平行耦合線的電磁場如圖1所示。上下兩層金屬帶線上的電流相差180°,方向相反；饋線工作在奇模狀態(tài)，中間的對稱平面看做電壁。設(shè)微帶線與地板之間的電壓值為U，電流為I，則微帶線的特性阻抗定義為Zc=U/I。對平行耦合線，上下兩帶條之間的電壓為2U，電流仍為I，于是推出平行耦合線的特性阻抗Z0=2U/I=2Zc。

圖1 微帶線與平行雙線電場Fig.1 Electric fields of microstrip lines and parallel lines

2 天線設(shè)計與仿真

2.1 天線單元設(shè)計

天線單元如圖2所示，因基板厚度增大時，Q值降低，頻帶變寬，并且天線結(jié)構(gòu)不易發(fā)生形變，但也會增加天線的剖面高度和重量，故采用介電常數(shù)為2.65，厚度為2 mm的介質(zhì)基板。偶極子輻射單元對稱分布于上下兩面，通過金屬化過孔相連。通過在正反面加載支節(jié)匹配技術(shù)，展寬帶寬。

圖2 天線單元Fig.2 Antenna element

2.2 天線陣設(shè)計

為了進(jìn)一步擴(kuò)展天線的帶寬，提高天線的增益，在單元設(shè)計好的基礎(chǔ)上進(jìn)行組陣。天線結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，采用功分網(wǎng)絡(luò)和相同的微帶結(jié)構(gòu)從微帶中心處進(jìn)行并聯(lián)饋電，組成天線二元直線陣，輻射單元間距略小于天線工作中心頻點(diǎn)對應(yīng)的介質(zhì)波長。

圖3 天線結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Antenna structure

由圖4可知，通過加載對稱枝節(jié)并沒有獲得良好的駐波帶寬和增益。

為滿足設(shè)計要求，在上述天線基礎(chǔ)上進(jìn)行變換。如圖3(b)所示。通過在微帶線上加載寬度為0.8 mm的非對稱支節(jié)對天線的阻抗進(jìn)行匹配，加載位置分別在距離饋電點(diǎn)s1=50 mm，s2=80 mm處。通過非對稱枝節(jié)可以改變輻射陣子上的電流分布，展寬工作帶寬，獲得頻帶內(nèi)較高的增益穩(wěn)定度。該天線采用對稱結(jié)構(gòu)，降低天線方向圖不圓度，改善天線性能。

通過HFSS軟件分別對加載非對稱枝節(jié)、加載對稱枝節(jié)和無枝節(jié)加載3款天線進(jìn)行仿真，天線的仿真駐波比與增益對比如圖4所示?？梢钥闯觯虞d非對稱枝節(jié)的印制偶極子天線駐波比在298～416 MHz頻段內(nèi)小于2，相對帶寬為33%；而加載對稱枝節(jié)和無枝節(jié)加載的天線駐波比在2以下的相對帶寬分別為10.3%和11.6%?？梢姺菍ΨQ枝節(jié)能很好地改善天線的駐波帶寬。對比于頻帶內(nèi)加載對稱枝節(jié)和無枝節(jié)加載的印刷偶極子天線增益變化，加載非對稱枝節(jié)的天線能明顯提高高頻增益，在頻帶內(nèi)具有更高的增益穩(wěn)定度。天線的整體寬度較小，枝節(jié)與輻射臂之間距離過小，加載的枝節(jié)越長對天線的振子臂輻射影響越大。加載非對稱枝節(jié)通過減短一對枝節(jié)不僅可以減少其對輻射臂的影響，而且能拉開枝節(jié)間的距離，從而可以減小枝節(jié)間的影響。通過調(diào)節(jié)枝節(jié)的位置和長度可以改變輻射陣子上的電流分布，展寬工作帶寬，獲得頻帶內(nèi)較高的增益穩(wěn)定度。

圖4 天線駐波比、增益仿真對比圖Fig.4 Simulated VSWR,Gain of antennas

3 陣列仿真與實(shí)驗(yàn)測試分析

根據(jù)天線陣列仿真制作了1×2全向印刷天線樣機(jī)，天線實(shí)物如圖5所示。在實(shí)物基礎(chǔ)上分別就阻抗匹配和輻射特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。天線駐波、增益仿真與測試結(jié)果如圖6所示，天線在0.30,0.35,0.40 GHz仿真和測試的歸一化方向圖如圖7和圖8所示。

圖5 天線實(shí)物圖Fig.5 Photo of antenna

圖6 天線駐波比、增益仿真與測試結(jié)果圖Fig.6 Simulated and measured VSWR，Gain of antenna

圖7 天線在0.30,0.35,0.40 GHz測試方向圖Fig.7 Simulated radiation pattern at 0.30,0.35,0.40 GHz

圖8 天線在0.30,0.35,0.40 GHz測試方向圖Fig.8 Measured radiation pattern at 0.30,0.35,0.40 GHz

從上圖可以看出，天線測試VSWR在298～440 MHz頻帶內(nèi)小于2，駐波帶寬達(dá)到38%。在300～400 MHz頻帶內(nèi)，天線仿真增益穩(wěn)定度為±0.5 dB，測試結(jié)果為±0.45 dB。在該頻帶內(nèi)仿真結(jié)果不圓度小于0.2 dB，測試結(jié)果小于±1.5 dB，相對于仿真結(jié)果較差，分析原因可能是因?yàn)樘炀€測試過程中，無法保證天線饋電中心線與標(biāo)準(zhǔn)天線饋電中心線在一條直線上。天線測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。

4 結(jié)束語

采用對稱結(jié)構(gòu)和加載非對稱枝節(jié)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一款超短波寬帶高增益穩(wěn)定度全向印刷陣列天線，在有效拓展帶寬的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了工作頻帶內(nèi)的高增益穩(wěn)定度。天線的阻抗帶寬達(dá)38%，工作頻帶內(nèi)的增益穩(wěn)定度為±0.45 dB,更適用于無人機(jī)等對天線有低剖面、輕重量嚴(yán)苛要求的應(yīng)用場景。