一種新型微帶天線及其寬角掃描特性研究

鄭萬清，楊 杰，莊 露，歐陽駿*

(1. 四川九州電器集團有限責任公司 四川 綿陽 621000；2. 電子科技大學電子科學與工程學院 成都 611731)

一直以來，寬波束天線單元都具有很廣泛的應用價值，其中包括比較典型的如：衛通天線[1-2]，需要較寬的波束寬度同時與多顆衛星進行通信；寬角掃描相控陣天線[3-4]，為減小寬角掃描時的增益下降，需要設計具有較寬波束寬度的天線單元等。

近年來，國內外對如何展寬天線單元波束寬度的研究逐漸增多，文獻[5]設計了寬波束的Vivaldi天線，并應用于相控陣寬角掃描中；文獻[6-7]利用電磁偶極子天線設計了寬波束的天線單元，并利用反射板進一步展寬波束寬度。同時也有一些研究采用可重構技術，使用分時波束工作的方式，等效展寬了天線單元的波束寬度[8-10]。當天線單元組陣時，陣列中天線單元的有源方向圖會由于互耦的影響而發生改變[11-13]，所以在實際設計中，需要考慮天線單元的互耦環境，由此引申出了一系列的寬角阻抗匹配技術[14-17]。另外，從根本上減小天線之間的互耦[18-19]也是一種可行的思路。

綜上，從實用性出發，本文選擇了直接設計具有低互耦特性的寬波束天線單元，并進行陣列組陣研究，設計具有寬角掃描特性的相控陣列。

1 寬波束天線單元原型設計

天線單元結構圖如圖1 所示，該天線單元由雙層介質板復合而成，在天線兩側有個垂直的金屬板與地板相連，作為天線波束寬度和低互耦設計的主要核心部件。介質板采用羅杰斯4350 材料，其相對介電常數選擇為3.48。

圖1 寬波束單元天線結構示意圖

在天線的兩層介質板中，下層介質板的上表面蝕刻了一個邊長為Lp的小正方形貼片，而下層介質板的下表面為金屬地。與之對應的，上層介質板下表面無金屬結構，上層介質板的上表面蝕刻一邊長略大(邊長為Ws2)的正方形貼片。小貼片在下，大貼片在上的設計是為了利用上貼片的反射，拓展天線單元的波束寬度，其設計思路類似于八木天線的反射器。

兩塊介質板通過兩根分布在對角線上的介質柱進行支撐固定，高度為h1，其具體高度將嚴重影響天線匹配，后續將進行詳細的優化。天線單元通過底部探針強制饋電，探針距離下層貼片邊緣的距離為Lf。

為進一步拓展天線的波束寬度，本文的微帶貼片天線設計為三維結構，如圖1a 所示，地板進行翻折，兩側金屬板厚度分別為2 mm 且與地板相連，其高度為h，略高于最上層貼片。將其作為反射器，對微帶等效邊沿縫隙的輻射進行適當地反射，從而使左側縫隙的輻射朝向右邊，右側縫隙的輻射朝向左邊，實現如圖2 所示的方向圖形狀，從而得到一個更寬的波束。但需要注意，方向圖變化對兩側金屬的高度變化非常敏感，因為尺寸的變化可能使得天線在一個類腔結構中輻射，反而減小天線的波束寬度。

圖2 折疊地板形成寬波束原理

2 天線有源方向圖的仿真及優化

在設計工程實用的天線單元時，必須考慮陣列環境對天線單元的影響，故在本文的設計中，使用一個8 元線陣加以說明，天線單元的設計將在此8 元線陣中進行調整和優化。

其陣列環境仿真模型如圖3 所示。本文中天線工作的中心頻點設計為2.9 GHz，考慮到布陣和柵瓣抑制條件，選擇布陣間距為50 mm，約為中心頻率的半個波長。

圖3 單元在陣列環境下的仿真模型

天線各個設計參數在如圖3 的陣列環境中進行優化，得到如表1 所示的參數數據，折疊地板高出最上方貼片4 mm。天線單元整體尺寸為50 mm×70 mm×14 mm。

表1 天線各設計參數最終取值mm

為說明各個主要參數對天線方向圖、駐波及互耦等的影響，本文還進行了部分重要參數的對比仿真研究。圖4 為4 號天線單元在有無上層貼片情況下的S 參數曲線對比，從圖中可明顯看出，在諧振頻點上，有上層貼片的天線結構其隔離度有8 dB的改善，這和天線本身結構帶來的S11 改變有一定的關系，但提升隔離度的效果還是較為明顯。

圖4 有無上層貼片對陣中天線單元隔離度的影響

圖5 為4 號天線單元，在有無折疊地板時對S 參數的影響對比。從圖中可以明顯看出，沒有折疊地板的天線隔離度遠比帶有折疊地板的天線單元差，其中還需去除隔離度的影響，證明折疊地板對天線單元之間的耦合有極大影響。

圖5 有無折疊地板對陣元S 參數的影響

圖6 為不同折疊地板高度參數h，對4 號陣元S 參數的影響對比，h 變化從13 mm 到17 mm，天線隔離度最高和最低有5 dB 的差距，隔離度最優的結果出現在h=14 mm 的位置。可見，通過合理調節h 參數可改善天線的隔離度。

圖6 折疊地板高度對天線S 參數影響圖

需要值得注意的是，調整h 參數時需要同時考慮對方向圖波束寬度的影響。圖7 為不同折疊地板高度對天線單元輻射方向圖的影響，可見不同高度對輻射方向圖的影響很大，且趨勢并非單調趨勢，在h=14 mm 時其波束最寬。

圖7 不同折疊地板高度對單元4 有源方向圖的影響

圖8 為該天線單元(1, 2, 3, 4)在陣列環境下的有源方向圖對比，從中可看出由于低互耦的效果，其波束保持基本一致，且寬度極寬，大于140°。

圖8 1, 2, 3, 4 號單元的有源方向圖

3 陣列仿真及測試

3.1 陣列仿真

利用HFSS 對陣列波束方向圖進行仿真如圖9所示，其饋電相位采用公式α=βdsinθm計算得到(其中d 為天線單元間距，θm為所需波束指向角度)。由圖9 可知，在±70°位置，天線陣列增益下降小于3 dB，在±50°位置，增益下降小于1 dB，實現了高增益的寬角掃描效果。

圖9 線陣的掃描性能

3.2 天線測試

圖10 為該線陣的實際加工圖，圖11 為該天線的測試和仿真S 參數對比。由于加工精度和安裝精度的原因，測試和仿真結果有一定的頻偏，且由于損耗，實測天線隔離度35 dB，略優于仿真結果。

圖12 為4 號天線單元的單元方向圖測試結果與仿真結果的對比，實測天線單元的增益為6.1 dB，半功率波束136°，略低于140°的仿真結果。

圖13 為該天線陣在其中心工作頻點測試的主極化和交叉極化方向圖。由于移相器和線纜損耗，實測增益(掃描到±50°時增益下降1.8 dB，在掃描到最大角度±70°時增益下降為2.6 dB)略低于仿真結果。

圖10 線陣實物

圖11 S 參數測試結果圖

圖12 4 號單元方向圖的仿真和測試結果

圖13 中心頻點主極化和交叉極化實測方向圖

4 結 束 語

本文提出了一種利用寄生貼片和折疊地板等技術設計的具有高隔離度和寬波束性能的新微帶天線單元，仿真得到其半波長布陣時的隔離度為30 dB，半功率波束寬度為140°，且單元主瓣增益平坦，適合寬角掃描的相控陣天線。為了驗證天線單元和組陣性能，本文進行了實物的加工測試，得到實測隔離度為35 dB，單元波束寬度為136°。并在此基礎上加入移相器進行了掃描狀態下的性能測試，在波束掃描狀態下，±50°時增益下降1.8 dBi，±70°時增益下降為2.6 dBi，同仿真結果基本吻合，驗證了其具有作為寬角掃描相控陣天線單元的能力。