一種基于簡單饋電網(wǎng)絡的蝶形振子陣列天線仿真和實驗

摘" 要： 為降低天線的尺寸和成本，以印刷蝶形振子天線為單元，設計了一款工作于X波段的8×4平面印刷陣列天線。該天線采用一種簡單的饋電網(wǎng)絡激勵蝶形振子輻射器陣列，設計的饋電網(wǎng)絡為等功率分配的微帶印刷電路結(jié)構(gòu)；對設計的陣列天線進行了加工和測試，測試的結(jié)果接近仿真結(jié)果。文中研究的蝶形陣列天線設計容易、成本較低，可作為天線罩測試系統(tǒng)的接收天線使用。

關(guān)鍵詞： 陣列天線； 印刷天線； 蝶形天線； 饋電網(wǎng)絡； X波段； 加工測試

中圖分類號： TN822+.8?34" " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）19?0021?06

Simulation and experiment of bowtie dipole array antenna

based on simple feeding network

FANG Liang1， ZHANG Jianchuan2， FANG Xinrui1， LIU Yizhuo2， SHI Jiaxin2， ZHANG Min2

（1. The Aeronautical Science Key Lab for High Performance Electromagnetic Windows， The Research Institute

for Special Structures of Aeronautical Composite AVIC， Jinan 250023， China;

2. School of Information Science and Engineering， Harbin Institute of Technology at Weihai， Weihai 264209， China）

Abstract： The design of an 8×4 planar printed array antenna operating in the X?band is presented to reduce the size and cost of the antenna， with the printed bowtie dipole antenna as the unit. A simple feeding network is employed to excite the array of bowtie dipole radiators. The designed feeding network is a microstrip printed circuit structure with equal power distribution. The designed array antenna is fabricated and tested. The testing results are close to those of the simulation. The design of the studied bowtie array antenna is characterized by simplicity and low cost， so the designed antenna can be used as the receiving antenna of the radome testing system.

Keywords： array antenna; printed antenna; bowtie antenna; feeding network; X?band; processing testing

0" 引" 言

在微波暗室內(nèi)進行天線罩的電性能測試中，接收天線是不可缺少的重要器件或設備之一。在某些場合中，由于受到安裝空間的限制，測試系統(tǒng)對天線的重量和尺寸有所要求，因此，針對某些具體的應用環(huán)境，設計低剖面、低成本和重量輕的電性能測試使用的天線器件具有較為重要的意義。采用印刷電路結(jié)構(gòu)的陣列天線具有低成本、結(jié)構(gòu)簡單和設計靈活的特點，目前在雷達和通信等領(lǐng)域已獲得廣泛的應用。

蝶形印刷天線是另外一種常見的寬帶印刷天線類型，該天線在超寬帶無線通信系統(tǒng)中獲得大量的應用[1?3]。蝶形印刷振子天線的結(jié)構(gòu)簡單，設計容易，天線成本較低[4?6]。由于蝶形振子天線是平衡結(jié)構(gòu)，因此，在天線設計中往往需要引入平衡到不平衡轉(zhuǎn)換（Balun）的結(jié)構(gòu)，即巴倫結(jié)構(gòu)，巴倫同時具有阻抗變換的功能[7]。目前，蝶形天線振子單元的形狀、饋電方案和阻抗加載等方面的研究已成為蝶形天線技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點，蝶形印刷振子的小型化是目前的關(guān)鍵技術(shù)之一[1，8?9]。為了提高天線的增益，陣列天線通常被采用。在印刷陣列天線設計中，通常采用微帶功率分配網(wǎng)絡對輻射器陣列進行激勵[10?11]。以印刷蝶形振子天線為輻射器單元，采用簡單的微帶饋電網(wǎng)絡，設計了一種平面陣列天線結(jié)構(gòu)，給出了相應的仿真和實驗結(jié)果，研究結(jié)果可為該天線的工程應用奠定一定的技術(shù)基礎。

1" 蝶形陣列天線的結(jié)構(gòu)

本文設計的平面陣列天線以印刷蝶形振子天線為輻射單元，整個天線輻射器陣列和微帶饋電網(wǎng)絡采用一層1 mm厚度的FR4介質(zhì)基板加工而成，蝶形振子的兩個蝶形振子臂分別位于介質(zhì)基板的上下兩側(cè)，采用直線漸變線結(jié)構(gòu)對蝶形振子輻射器饋電，微帶功率分配網(wǎng)絡的各個輸出端直接和直線漸變線結(jié)構(gòu)連接，實現(xiàn)了蝶形輻射器振子和饋電網(wǎng)絡的一體化設計。為了改善陣列天線的輻射性能，在印刷介質(zhì)基板的底部放置一個金屬反射地板。設計的蝶形陣列天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，圖1a）為前視圖，圖1b）為隱藏反射地板和介質(zhì)基板的前視圖，圖1c）為隱藏反射地板的后視圖，圖1d）為左視圖。

如圖2所示，蝶形對稱振子天線通常由一對對稱的等腰三角形或者扇形組成，當張角[θ0]較大時，該天線具有較寬的工作頻帶。

在蝶形振子天線的設計中，典型的蝶形天線的長度可由式（1）計算[12]：

[l=12λ0×1εeff] （1）

式中：[l]是整個蝶形天線的長度；[λ0]是在空氣中的波長；[εeff]是有效的介電常數(shù)。[εeff]的計算公式為：

[εeff=εr+12+εr-121+10hw-0.555] （2）

式中：[εr]和[h]分別是介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)和厚度；[w]是微帶傳輸線的寬度。

張角[θ0]與天線輸入阻抗[Zin]存在以下關(guān)系：

[Zin=120lgcotθ04] （3）

在蝶形天線輻射器振子的激勵端口和微帶功分器的輸入端口之間加載直線漸變阻抗變換結(jié)構(gòu)，是在較寬的頻帶內(nèi)達到阻抗匹配的常用方法。漸變線阻抗變換器可以等效成階梯數(shù)目無限多的階梯阻抗變換器，有利于小型化設計。微帶線的上條帶和地板均按指數(shù)線規(guī)律變化，在巴倫平衡端口上的地板與上條帶變?yōu)橄嗟鹊膶挾龋芡瑫r實現(xiàn)不平衡至平衡及阻抗變換[13]。漸變線阻抗匹配結(jié)構(gòu)的原理如圖3所示。當[y=0]時，輸入端阻抗為[Zin]，當 [y=l]時，負載阻抗為[ZL]。

2" 蝶形陣列天線的性能仿真

采用全波電磁仿真軟件對設計的蝶形振子陣列天線進行仿真。設計的蝶形振子陣列天線的電壓駐波比的仿真結(jié)果如圖4所示，在9.4 GHz、10.2 GHz和11 GHz這三個典型工作頻點的電壓駐波比（VSWR）分別約為1.81、1.57和1.49。

圖5～圖7分別給出了在頻率為9.4 GHz、10.2 GHz和11 GHz時的蝶形振子陣列天線增益方向圖的仿真結(jié)果，在每一個工作頻點上，分別給出了在[xOz]面和[yOz]面的兩個正交極化分量的方向圖。該天線在頻率為9.4 GHz、10.2 GHz和11 GHz時的增益分別約為18.77 dB、16.83 dB和18.75 dB。

3" 蝶形陣列天線結(jié)構(gòu)的加工和實驗

根據(jù)上述設計的蝶形振子陣列天線的結(jié)構(gòu)，對陣列天線進行了加工和測試，加工的蝶形振子陣列天線的照片如圖8所示。

加工的蝶形振子陣列天線的VSWR測試結(jié)果如圖9所示。

測試結(jié)果表明，在9.4 GHz、10.2 GHz和11 GHz這三個典型工作頻點的電壓駐波比（VSWR）分別約為1.933、1.66和1.21。對加工的蝶形振子陣列天線進行了方向圖性能的測試，圖10～圖12分別給出了在頻率為9.4 GHz、10.2 GHz和11 GHz時的蝶形振子陣列天線增益方向圖的測試結(jié)果，測試方向圖的趨勢接近于仿真結(jié)果，但是方向圖的測試結(jié)果比仿真結(jié)果略差，該偏差可能是加工誤差和測試誤差產(chǎn)生的。

4" 結(jié)" 語

本文介紹了一種采用簡單饋電網(wǎng)絡的平面印刷陣列天線，該天線采用單層介質(zhì)基板實現(xiàn)振子輻射器陣列和微帶饋電功率分配網(wǎng)絡的集成一體化設計，采用同軸電纜對功率分配網(wǎng)絡直接饋電，便于工程實現(xiàn)。文中采用直線漸變線結(jié)構(gòu)對雙面印刷蝶形輻射器振子進行饋電，微帶功率分配網(wǎng)絡和振子輻射器直接連接的激勵方式更方便和簡單。為了研制在微波暗室中測試天線罩電性能的接收天線，本文設計了一種工作于X波段的8×4平面印刷陣列天線，給出了相應的電磁仿真結(jié)果，對設計的天線陣列進行了加工和裝配，給出了基本的測試結(jié)果，測試結(jié)果表明了本文設計天線的有效性。本文研究的蝶形陣列天線結(jié)構(gòu)簡單、設計方便、成本較低，適合于工程應用，研究結(jié)果可為實際天線的研制提供技術(shù)參考。

注：本文通訊作者為房亮。

參考文獻

[1] 周蔚紅，劉培國，劉克成，等.探地雷達中蝶形振子天線的改進[J].電子與信息學報，2005，27（7）：1171?1173.

[2] 吳建斌，田茂，李太全.一種改進的探地雷達蝶形天線[J].儀器儀表學報，2009，30（5）：1059?1062.

[3] QU S W， CHAN C H， XUE Q. Ultra wideband composite cavity?backed folded sectorial bowtie antenna with stable pattern and high gain [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2009， 57（ 8）： 2478?2483.

[4] LIN K H， CHEN S L， MITTRA R. A looped?bowtie RFID tag antenna design for metallic objects [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2013， 61（2）： 499?505.

[5] RAZA H， HUSSAIN A， YANG J， et al. Wideband compact 4?port dual polarized self?grounded bowtie antenna [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2014， 62（9）： 4468?4473.

[6] 王建，黃春琳，陸珉，等.利用拖尾能量提高蝶形天線輻射效率[J].國防科技大學學報，2013，35（3）：144?148.

[7] 陳振華，牛臻弋，曹群生.平面正弦天線及其小型化饋電巴倫[J].航空兵器，2009（5）：44?46.

[8] 胡慧琳，譚云華，朱柏承，等.不同環(huán)境影響下共形蝶形天線性能的理論分析[J].電波科學學報，2010，25（6）：1163?1168.

[9] 顧東華，丁桂甫，孫曉峰，等.共面波導饋電蝶形開口振子縫隙天線[J].微波學報，2007，23（1）：25?28.

[10] LIU J L， YANG F， FAN K K， et al. Unequal power divider based on inverted microstrip gap waveguide and its application for low sidelobe slot array antenna at 39 GHz [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2021， 69（12）： 8415?8425.

[11] XIA B， CHENG J D， WU L S， et al. A new compact power divider based on capacitor central loaded coupled microstrip line [J]. IEEE transactions on microwave theory and techniques， 2020， 68（10）： 4249?4256.

[12] 葛津津.脈沖探地雷達前端的研究與設計[D].成都：電子科技大學，2016.

[13] 張曉輝.一種低剖面寬頻帶巴倫設計[J].信息通信，2018（4）：40?42.

作者簡介：房" 亮（1986—），男，黑龍江人，碩士研究生，高級工程師，研究方向為天線罩和天線技術(shù)。

收稿日期：2024?03?19" " " " " "修回日期：2024?04?08

基金項目：國家自然科學基金項目（62231007）；哈工大研究生核心教學研究項目（23H020）；山東省教育發(fā)展研究微課題（FJ048）；哈爾濱工業(yè)大學（威海）空基信息感知與融合全國重點實驗室（20230001077006）