新型超寬帶微帶陣列天線分析設計*

黃 斌，徐英欣

（桂林空軍學院 桂林 541003）

1 引言

近些年來，隨著無線通信技術的迅速發展，人們對無線通信系統的性能提出了越來越高的要求，如現在的個人通信需要滿足包括GPS、CDMA、WLAN在內的多種功能和協議。因此，為了降低系統復雜度，減少系統功耗，當前的許多研究都致力于將工作在不同頻段的各個系統整合到一個單一的超寬帶系統中[1]。對于超寬帶系統，一個非常關鍵的問題就是超寬帶天線的研究，超寬帶天線作為超寬帶系統的關鍵設備在功能、設計及制造工藝上都面臨著巨大的挑戰。應用于超寬帶系統的天線必須滿足很高的要求，不僅要滿足3.1～10.6 GHz的頻帶要求，還必須在整個頻帶上保持良好的輻射特性，未來的無線通信系統將更廣泛地使用陣列天線來實現這些特性，用多個天線單元來提高天線性能，將寬頻帶的天線單元合理地布局，使天線的主波束能在帶寬范圍內的每一個頻率上進行寬角度掃描。在天線單元的選擇上，微帶天線以它重量輕、可共形、易集成、便于匹配等優點獲得了更多的青睞，尤其是近幾年，國內外在微帶陣列天線方面的研究得到了越來越廣泛的關注。

本文提出了一種新型的超寬帶平面結構微帶陣列天線，該陣列天線能很好地滿足超寬帶系統的要求。該陣列天線的天線單元是加載矩形貼片的平面印制圓形縫隙微帶天線，其阻抗帶寬從3.1 GHz到 12.4 GHz，達到了4倍頻程，覆蓋了整個UWB頻帶，同時天線還是雙向輻射，在整個工作頻帶上都有良好的輻射特性，而且天線還具有平面結構小尺寸的特點，非常適合應用于目前的超寬帶無線通信系統。

2 天線結構與理論分析

圖1為陣列天線的實物照片，這是一個4單元的陣列天線，天線單元采用加載矩形貼片的平面印制圓形縫隙超寬帶微帶天線[2]，整個陣列天線的尺寸只有30 mm×130 mm，但其阻抗帶寬從3.1 GHz到12.4 GHz，達到了4倍頻程，天線單元間距是35 mm，約等于0.35倍的最大工作波長和1.4倍的最小工作波長。

饋電網絡采用如圖2所示的威爾金森一分四寬帶功分器，功分器的設計過程分為兩步：首先根據奇偶模分析以及參考文獻[3]中的經驗公式來確定功分器各個元件的最初值，包括金屬帶的長度、寬度以及各個電阻的大小等；第二步再利用仿真軟件ADS（advanced design system）來對這些值進行優化，然后根據這些數據設計制作如圖2所示的威爾金森一分四寬帶功分器。

分析陣列天線的方法不多，其中較為簡單的一種是陣因子法，陣因子法的理論基礎是方向圖乘積定理。

陣因子法完全忽略了天線單元間的互耦作用，因此比較簡單，但是精確度較低，由于本文所研究的天線陣列的單元間距很小，已經小于了λmax/2（λmax為天線最低工作頻率對應的波長），因此單元間的互耦作用比較明顯，是不能夠忽略的，所以必須對用陣因子法得到的結果加以修正。通常微帶貼片間的互耦是由空間波和表面波同時引起的。互耦效應對陣性能的影響很大，影響的結果可以是積極的，也可能是消極的，總的來說互耦效應的存在將導致：陣元輸入阻抗與孤立單元的輸入阻抗不同，陣元方向圖與孤立單元的方向圖不同，陣的增益與互耦系數有關，陣的極化特性也受到很大影響。對于微帶天線單元間互耦的研究工作，已在不少文獻中出現。在參考文獻[4]中，由Jedlick和Poe得出了兩輻射元間散射系數隨元間距變化的一些測量值,并在此基礎上，進行了大量的理論分析。參考文獻[5，6]運用空腔模型及反應原理，導出了計算兩貼片之間互耦的互阻抗公式。在參考文獻[7]中則運用傳輸線模型及反應原理得到兩貼片元間的互導納。這些方法由于所依據模型的限制，其適用范圍及計算結果也受到了一定的限制。總的來說，微帶天線單元間互耦作用的分析比較復雜，對于小規模的陣列，主要是基于實驗的方法對理論結果進行修正，然后通過仿真軟件對天線陣列進行仿真優化，最終獲得理想的指標。

3 天線性能

圖3顯示了單元間距對天線增益的影響，從圖上可以看到，在頻率為3 GHz和6 GHz時，隨著單元間距的增加陣列天線增益也逐漸提高，直到間距為45 mm時，增益下降比較明顯。隨著頻率的增加，天線的旁瓣逐漸增多，從而造成頻率為9 GHz時，陣列的增益隨單元間距變化處于波動狀態，從該圖可以分析得到，當天線單元間距為35 mm時，陣列天線的增益最佳。

用一分四的威爾金森寬帶功分器給天線的4個端口饋電，把天線與功分器相連接形成一個陣列天線系統，圖4是在陣列天線系統的功分器端口測量到的回波損耗，從圖中可以看到陣列天線系統的阻抗帶寬從3.1 GHz到12.4 GHz，達到了4倍頻程，覆蓋了整個UWB頻帶。

在微波暗室里測試了天線的遠場輻射方向圖，圖5給出的是天線分別在3 GHz、6 GHz和9 GHz時的H面輻射方向圖，這里只給出H面方向圖，因為天線是以H面方向布陣的，E面方向只有一個單元天線，所以E面方向圖只體現單元天線的E面方向圖，而H面的方向圖則為4個單元天線的合成，從圖中可以看到，隨著工作頻率的增加天線H面方向圖的方向性越來越明顯，而且旁瓣逐漸增多，但旁瓣電平（SLL）在整個頻帶范圍內都低于－13 dB。

4 結束語

本文提出了一種新型的超寬帶微帶陣列天線，天線由4個按H面排列的單元天線組成，天線單元是加載矩形貼片的平面印制圓形縫隙微帶天線，整個天線由一分四的威爾金森功分器進行饋電。本文通過數值仿真和實際測量研究了該天線的特性，實驗結果與仿真結果較好地吻合，實驗結果表明，該天線的阻抗帶寬從3.1 GHz到12.4 GHz，達到了4倍頻程，覆蓋了整個UWB頻帶，天線是雙向輻射，而且具有平面結構小尺寸的特點，非常適合應用于目前的超寬帶無線通信系統。

1 McManmon P F,Waston E A,Eismann M T.Suggestions for low costmultifunction sensing.In:Proceedings ofIEEE Aerospace Conf,Aspen,CO,March 1998

2 Huang Bin,Yao Yuan,Feng Zhenghe.Analysis and design of a novel compact UWB antenna.In:Microwave and Millimeter Wave Technology,2008(ICMMT’08),Builin,April 2008

3 Cohn S B.A class of broadband three-port TEM-mode hybrids.IRE Trans Microw Theory Tech,1968,16(2):110～116

4 Jedlick R P,Poe M T,Caver K R.Measure mutual coupling between microstrip antennas.IEEE-AP,1981,29(1):147～149

5 Malkones M.Mutual coupling between microstrip patch antennas.Electronics Letters,1982,18(12):510～522

6 Penard E,Daniel J P.Mutual coupling between microstrip antennas.Electronics Letters,1982,18(14):605～607

7 Van Lil E H,Vande Capelle A R.Transmission line model for mutual coupling between microstrip antennas.IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1984,32(8):816～821