微带行波串馈宽带频扫天线

2016-10-10 by:CAE仿真在线来源:互联网

摘要:本文设计并测试了一种微带平面结构的行波串馈式宽带频扫天线。它包含18个宽度逐渐增大的矩形贴片谐振单元结构,在保证天线辐射效率的同时提高了矩形贴片天线的带宽。测试结果表明,频率从22.0变化到25.0GHz时,主波束偏角从-26.7deg变化到-5.9deg。该频段内,天线输入回波损耗大于10dB,典型值15dB。天线副瓣抑制15dB,E面半功率波束宽度7deg,H面半功率波束宽度67deg。

1 引言

近年来,随着现代无线通信技术的高速发展,微带天线以其重量轻、成本低、易集成等诸多优点,日益受到人们的青睐。但是,微带天线带宽较窄,其相对带宽一般只有1%~5%[1],因而在实际应用中受到了一定的限制。因此,如何展宽微带天线带宽具有十分重要的意义。THOMAS METZLER[2]制作了一个5mm长,采用26个相似微带贴片谐振单元的行波串馈天线,在1.40~1.43GHz频带内,天线增益21.5dB,天线扫描角度2度。本文采用18个相似微带矩形贴片谐振单元行波串馈结构,在22.0-25.0GHz频带内实现宽带扫频特性,天线扫描角度20.8度。

2 天线设计

本文采用18个相似微带矩形贴片谐振单元结构,通过高阻线串联馈电,馈电结构简单,易于电路集成。单个矩形贴片谐振单元结构如图1所示。在天线设计时,有许多关键的设计参数,如馈线宽度W_feed、贴片宽度W_patch、馈线长度L_feed、贴片长度L_patch等,下面将对这些关键参数进行详细分析。

图1 矩形贴片谐振单元

2.1 天线宽频带设计——馈线宽度W_feed和贴片宽度W_patch

天线馈线宽度和贴片宽度比W_Ratio(=W_feed/W_patch)控制着馈线与贴片之间的耦合度。每个贴片单元可以看成是一个包含输入端和输出端的二端口网络,端口阻抗由带线的特征阻抗决定。增大馈线宽度和贴片宽度比W_Ratio,可以减小该谐振单元的Q值,从而增大天线带宽[3]。但是天线辐射效率几乎与贴片宽度成正比,增大馈线宽度和贴片宽度比W_Ratio,贴片宽度将相对减小,从而天线辐射效率也将随之减小。这样就需要对天线带宽与天线辐射效率之间有个权衡,来确定馈线宽度和贴片宽度比W_Ratio。

为了解决天线带宽和天线辐射效率之间的矛盾,本文采用了一种馈线宽度和贴片宽度比W_Ratio渐变的结构,如图2所示。多个W_Ratio逐渐减小的贴片单元串联级联在一起,构成贴片天线阵列。在靠近天线输入端,馈线宽度和贴片宽度比W_Ratio较大,有利于实现宽带匹配,展宽天线带宽。在靠近天线终端,馈线宽度和贴片宽度比W_Ratio较小,贴片宽度相对较大,有利于提高天线辐射效率。

图2 平面阵列天线结构示意图

2.2 天线频扫设计——馈线长度L_feed和贴片长度L_patch

微带贴片天线有两种类型的TEM传输线天线:

1)天线终端接匹配负载的行波天线;

2)天线终端为开路或短路的驻波天线。

行波天线一般为周期性结构,辐射可设计成从后射直到端射之间的任一方向,驻波天线通常为边射。在行波串馈贴片天线阵列中,随着单元数目的增多,损耗就越严重,后面贴片单元上的电流就很小,回波几乎没有,对于微带线阵即使不接匹配负载,也可组成行波阵(准行波阵)。另外,如果接匹配负载,负载肯定将消耗一部分能力,引起能量不必要的浪费,同时还增大天线发热量。

2.3 天线仿真结果

本文利用HFSS软件对该阵列天线进行三维电磁仿真计算。基片采用Taconic公司的RF35A2介质基片,介电常数3.5,厚度0.508mm。经过优化设计[4][5],阵列天线三维增益方向图仿真结果如图3所示,E面(yoz面)方向图仿真结果如图4所示。

图3 天线三维增益方向图仿真结果(24G)

图4 天线E面(yoz面)方向图仿真结果

在频率从20.0GHz变化到25.0GHz时,主波束指向角从-40.2deg变化到-1.3deg,天线增益在15dB左右。

3 天线测试

3.1 测试环境

信号源Agilent E8257D激励矩形喇叭天线HD-220HA提供发射信号,将待测天线做为接收天线安装在暗室转台上,待测天线接频谱仪Agilent E4447A测量出接收信号功率电平大小,水平转动转台180度,绘制出待测天线功率电平方向图。

3.2 天线E面方向图测试

将待测天线E面方向平行于水平面方向安装在暗室转台上(如图5所示),转台从-90度转动到+90度,选择若干频点测试出天线E面方向图(如图6所示)。

在频率22GHz、23GHz、24GHz、25GHz时,天线主波束方向均偏向馈电端,天线E面主波束方向偏离天线法线方向分别为-26.7deg、-18.8deg、-11.5deg、-5.9deg;E面半功率波束宽度分别为8.1deg、7.1deg、6.6deg、7.0deg;旁瓣抑制15dB。

图5 天线E面方向图测试照片

图6 天线E面方向图测试结果

3.3 天线H面方向图测试

在天线E面方向图测试完毕后,即可确定主波束偏角。在H面方向图测试前,调整待测天线俯仰角,使其最大波束指向对准喇叭天线。24GHz时天线主波束方向偏向馈电端11.5deg,调整天线仰角,使天线法线方向与水平面方向夹角为11.5deg,如图7所示,测试出此时H面方向图如图8所示。

图7 天线H面方向图测试照片

天线H面最大功率方向平行于天线法线方向,H面半功率波束宽度67.4deg。

图8 天线H面方向图测试结果(24G)

3.4 天线输入回波损耗测试

采用矢量网络分析仪Agilent E8363C测量出天线输入回波损耗S11如图9所示。

图9 天线输入回波损耗测试结果

在22.0~25.0GHz频段内,天线输入回波损耗在10~22dB之间,典型值14dB。

4 结论

本文采用平面微带结构,设计并制作了一种行波串馈式的宽带频扫天线。在22.0~25.0GHz这相对带宽13%的频段内,主波束偏角从-26.7deg变化到-5.9deg,输入回波损耗大于10dB,旁瓣抑制15dB。天线E面半功率波束宽度7deg,H面半功率波束宽度67deg。该结构阵列天线体积小,重量轻,频带宽,馈电简单,能和有源器件、电路集成为统一的组件,适合大规模生产,在微波和毫米波领域具有广阔的应用前景。