微帶方形縫隙天線的設計

叢國進

(威海職業學院,山東威海264210)

0 引言

從1972年出現了微帶縫隙天線以后,越來越多的研究表明其優點相當突出。如饋電網絡和輻射單元相對分離;對制造公差要求比貼片天線低;在組陣時其單元間隔可比貼片天線更大;對于高速飛行器而言,很容易地就可滿足與其表面的共形;在移動通信技術領域,可作為基站天線或便攜式天線。因此對微帶縫隙天線進行深入研究具有十分重要的工程價值和理論意義。

文獻[1]提出了一種帶有新型輻射器的印刷縫隙天線,采用50 Ω的共面波導(CPW)饋電,該天線的回波損耗帶寬達到2.8～33.4GHz。文獻[2]設計了一種新的采用半環形饋電結構的寬帶微帶方形縫隙天線,這種天線工作在1.8 GHz時,匹配帶寬達到了51.7%(VSWR＜1.5)。文獻[3]介紹了一種采用扇形微帶饋源的寬帶縫隙天線,頻率范圍是1.65～5.38 GHz(S11≤-10 dB)。文獻[4]提出一種改進的基于CPW的寬頻帶微帶縫隙天線,天線尺寸縮減了30%,阻抗帶寬頻率范圍是3.07～4.11 GHz(S11＜-10 dB)。這里選擇了微帶饋電的方形縫隙天線作為研究目標,探討它作為相控陣雷達的天線元使用的優點。

1 縫隙大小對遠場方向圖的影響

可以把場等效原理看成是惠更斯原理的一種數學形式。其方法是用等效流取代一個縫隙天線,該等效流產生的輻射場等于天線產生的場。等效原理的依據是,研究證明的從麥克斯韋方程和所有電磁問題必須滿足的邊界條件中得出的一個解,就是所要求的解。這也遵從數學中的唯一性定理,即滿足微分方程的和邊界條件的解是唯一的?，F在利用這個概念來設置用于分析縫隙天線的等效電流關系。

一個矩形縫隙如圖1所示。如果它以一種理想的方式被激勵,即縫隙局限在Lx乘Ly的矩形范圍內。如果在物理口徑上,口徑場上的幅度和相位都是均勻的,就稱它為均勻矩形口徑。假如縫隙口徑電場是y向的,則均勻矩形縫隙的電場為:

圖1 矩形縫隙

使用通用的矢量位法求場的方法,并利用等效磁流與電流對場的影響,可以推導出以下公式:

以 u 、v(u=sinθ cosφ,v=sinθ sinφ)表示的可見區域,對應于,有 u2+v2=sin2θ≤1,利用式(4)可得波束立體角為:

這是一個普遍的表達式。對大的均勻相位的口徑,輻射集中在u=v=0(θ=0)的狹小區域中,則式(5)的根式近似為1。

計算式(5)可知,方向性系數為:

從式(2)、式(3)和式(6)可知,如果縫隙的面積越大,則主瓣越窄,但方向性會增加。

2 微帶方形縫隙天線單元設計

2.1 初步定尺寸

對于方形縫隙也是在毫米波頻段進行的設計與仿真,選擇諧振頻率為35 GHz,根據上述分析,要使單元有寬的主瓣,確定它們的尺寸不能遠大于波長。除了考慮縫隙大小對方向圖的影響,還要考慮阻抗對饋電的影響。所以確定方形的地板和介質基片,它們的長度均為1個工作波長,介質基板的厚度為0.8 mm,介電常數為2.2,地板和微帶線的厚度均為0.035 mm,設計的微帶方形縫隙天線模型如圖 2所示。

圖2 方形縫隙天線結構

2.2 使用軟件優化方法

使用CST微波工作室軟件進行優化處理,優化的條件是使天線的諧振頻率為35 GHz,掃描的基本方法是:先選定一個大的尺寸空間,根據仿真性能再選擇一個性能好的小空間,如此下去,逐漸提高尺寸精度而最終確定天線尺寸。獲得的天線其他參數為:縫隙長度為6.45 mm,饋電微帶線寬度為1.1 mm,終端開路微帶線的終端形狀為矩形,該矩形縱向長度為3.01 mm,橫向長度為3.61 mm,其底端距離方形縫隙最下邊的邊為1.2 mm。

2.3 結果分析

仿真得到的回波損耗曲線如圖3所示。從圖中可以看出:①天線的諧振頻率為35 GHz(此時輸入駐波比最小或回波損耗最小),諧振時的 S11=-16.2 dB,VSWR=1.37;②-10 dB帶寬為4.7 GHz(32.5～37.2 GHz),相對帶寬為13.4%。

天線在35GHz時的方向圖如圖4所示。從圖4的35 GHz的方向圖曲線可以看出:①天線在35 GHz時的方向性系數達到7 dBi(從 yoz平面看);②35 GHz時的xoz平面和yoz平面的方向圖中所顯示的波束都較寬,并且方向不同時僅產生了舒緩變化;③從35 GHz的 yoz平面方向圖來看,主瓣向y軸方向發生了偏轉,這是由于在y方向饋電微帶與-y方向結構的不同形成的。

圖3 回波損耗曲線

圖4 天線在35 GHz時的方向圖

該天線在xo z平面和yoz平面的的軸比特性如圖5所示。如果以軸比小于-20 dB為線極化的標準,可以看出:①天線在主波束內(使用球面坐標系,θ為零度左右)具有近似線極化的特性;②在xoz平面內,θ=50°左右的時候,則具有較高的交叉極化電平;在yo z平面內,θ=90°的時候具有較高的交叉極化電平。

圖5 天線在35 GHz時的軸比

3 結束語

根據仿真結果可知,所設計的微帶饋電的方形縫隙天線的方向性系數達到7 dBi,-10 dB回波損耗帶寬4.7 GHz(32.5～37.2 GHz),波束較寬,在主波束范圍內線極化程度好,適用于作為相控陣的陣元使用。今后的研究方向是使用所設計的方形縫隙天線組成平面陣和共形陣,確定各種天線陣的參數與天線單元的不同點,同時分析改變各單元陣的饋電相位時其相控特性。

[1]KOOHESTANI M,GOLPOUR M.Very Ultra-wideband Printed CPW-fed Slot Antenna.Electronics Letters[J].2009,45(21):1066-1067.

[2]高向軍,王光明,朱莉.微帶縫隙天線實現寬帶的一種新設計[J].微波學報,2006,22(4):40-42.

[3]姚鳳薇,鐘順時.新型帶扇形饋源的寬帶縫隙天線[J].電波科學學報,2005,20(5):675-677.

[4]姜 宇,肖 鴻,劉興鵬,等.共面波導寬頻帶微帶縫隙天線的設計與分析[J].哈爾濱工程大學學報,2009,30(10):1180-1184.