超寬帶檢測系統(tǒng)中的小尺寸陣列天線設(shè)計

摘要：本文介紹了一款小尺寸超寬帶平板天線的設(shè)計及其陣列排布。天線采用四分叉形狀發(fā)射極子，底部接地板開矩形槽的結(jié)構(gòu)，有效調(diào)節(jié)天線的輻射方向和帶寬。經(jīng)仿真測試，天線滿足超寬帶檢測系統(tǒng)中要求的5GHz~7GHz帶寬。并將尺寸縮減到16mm×16 mm，易于陣列集成。

關(guān)鍵詞：超寬帶檢測；平板天線；天線陣列；輻射方向

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.8.005

*基金項目：教育部新世紀(jì)人才項目（批準(zhǔn)號：NCET- 08-0389）

超寬帶無線檢測技術(shù)[1]的飛速發(fā)展帶來了無損檢測的又一次進步。超寬帶無線數(shù)據(jù)的傳輸速度更快，數(shù)據(jù)包含信息量更大，功耗更低，設(shè)備成本更低，保密性更強，穿透性更好，這些優(yōu)點是常規(guī)無線檢測技術(shù)不具有的。性能良好的超寬帶天線是確保檢測可靠性、高速性以及抗干擾性良好的關(guān)鍵，天線的設(shè)計成為超寬帶無線檢測技術(shù)的重中之重。

為了滿足與射頻電路等高速電路集成的條件，天線的小型化設(shè)計成為關(guān)鍵，小尺寸微帶單極槽隙天線易于調(diào)節(jié)阻抗帶寬[2]，它能方便地同高速電路集成，滿足設(shè)備高集成度，低功耗的要求。多數(shù)檢測系統(tǒng)需要多天線集成為陣列以提高檢測精度和降低檢測次數(shù)，天線陣列一次檢測即可獲得多組檢測數(shù)據(jù)，經(jīng)微型計算機處理后可快速提交檢測結(jié)果，但是天線陣列中各個天線會互相串?dāng)_，影響檢測精度。調(diào)節(jié)單個天線的輻射性，使其輻射方向不互相重疊可大幅降低天線間的串?dāng)_。為此必須設(shè)計一款超寬帶天線，在滿足帶寬條件的同時提高天線在正向和背向的輻射強度，相應(yīng)降低天線的側(cè)向輻射強度。

天線結(jié)構(gòu)

天線基板的選擇

天線基板材料和厚度的選擇對超寬帶平板天線的帶寬影響較大，天線基板越厚，天線的寬帶性能越好，但是厚度的增加使天線難以集成。本天線選用1mm厚，介電常數(shù)為4.4的FR-4材料作為介質(zhì)基板，該材料造價低，性能穩(wěn)定，是傳統(tǒng)PCB板的材料。選用PCB板作為天線基板，天線可以直接印制在PCB板上，經(jīng)過布線后可以方便高速地與芯片互聯(lián)，使檢測系統(tǒng)體積有效縮小。基板形狀選擇正方形，方便緊密排列成陣列形式，尺寸為16mm×16mm，詳見圖1的天線側(cè)視圖。

天線輻射單元及接地板設(shè)計

天線的輻射單元設(shè)計主要影響天線的輻射方向和帶寬，本天線使用類似“T”字形極子有效地減弱天線的側(cè)向輻射，既降低天線陣列之間的相互串?dāng)_，又確保天線在正向和背向增益高，穿透力強。

天線輻射單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用類似“T”字形極子，極子呈四分叉形與下面的饋線相連，饋線寬2mm，與50Ω同軸電纜阻抗匹配。上面兩個較小的分叉并不十分明顯，分叉的橫向長度用于調(diào)整輻射單元至左右兩邊開槽金屬接地板的距離，實現(xiàn)指定的輻射方向性。較短的橫向分叉會提供更寬的帶寬，但會增加天線的側(cè)向輻射，綜合考慮并仿真優(yōu)化后，取橫向分叉的長度為6.6mm時滿足側(cè)向增益低、抗干擾好的性能要求；“T”字形極子下面的兩個縱向分叉用于調(diào)整輻射單元至下邊開槽金屬接地板的距離，補償由橫向分叉導(dǎo)致的天線帶寬縮小，使天線帶寬達到指定的5GHz~7GHz。

平板單極天線添加開槽結(jié)構(gòu)有利于天線小型化[3]，開槽的形狀及寬和高依天線的不同特性要求而不同[4]。一般選擇矩形槽，開槽的縱向高度低于天線輻射單元高度時，天線一般具有較寬的帶寬；開槽的縱向高度高于天線輻射單元高度時，天線一般具有較低的側(cè)向增益。

文中設(shè)計的天線選用后一種開槽方式，通過仿真優(yōu)化最終確定開槽的高度和寬度分別為13 mm×14 mm，天線的接地板開槽形狀如圖1所示，開槽上下兩端距基板邊緣分別為1mm和2mm，左右兩端距基板邊緣各為1mm。開槽后環(huán)形饋電地板改變了電流走向，電流沿地板底部中心饋入，經(jīng)由開槽地板的兩側(cè)，最后形成環(huán)形饋電網(wǎng)絡(luò)，相比于不開槽接地板，環(huán)形饋電網(wǎng)絡(luò)增加了接地板電流路徑長度，有利于減小微帶天線的尺寸。

天線帶寬及方向圖

天線靠近饋線的兩個斜三角結(jié)構(gòu)可輔助調(diào)節(jié)阻抗帶寬，無三角結(jié)構(gòu)的天線示意圖如圖2所示。回波損耗曲線S11曲線如圖3所示，在橫軸坐標(biāo)5GHz附近S11曲線過于靠近-10dB限度，天線實物測試在5GHz處可能帶寬不達標(biāo)，添加兩個三角的漸變結(jié)構(gòu)，輻射單元的“T”字形橫向分叉距離接地板開槽邊緣有個漸變的過程，增加了輻射單元在不同頻率上的諧振點，輔助調(diào)節(jié)了天線帶寬，使天線-10dB回波損耗曲線向左移動，避免天線實物測試時可能出現(xiàn)的帶寬不達標(biāo)。添加兩個三角結(jié)構(gòu)后天線的S11曲線優(yōu)化為圖3所示。

天線在5GHz~7GHz帶寬內(nèi)具有較高的正向和背向輻射，側(cè)向輻射較小。輻射方向圖如圖4所示，正向輻射增益強度達3.5dB，而側(cè)向60度處輻射增益小于-4dB，有效降低天線陣列間不同天線的相互干擾，增強天線穿透能力，使檢測結(jié)果精確可靠。

檢測系統(tǒng)天線陣列設(shè)計

超寬帶檢測系統(tǒng)類似雷達系統(tǒng)[5]，需要發(fā)射天線和接收天線同時工作，發(fā)射天線發(fā)射超寬帶信號，遭遇檢測物體后發(fā)生反射，由接收天線接收。把發(fā)射和接收天線集成為陣列既要求天線之間間距適當(dāng)，不互相干擾，又要求天線數(shù)目足夠以獲得多組檢測信號，檢測信號組數(shù)越多，結(jié)果越準(zhǔn)確。例如，使用共焦成像技術(shù)[6]時，疊加多組檢測信號各自成的圖像，才能有效加強目標(biāo)圖像，同時減弱非目標(biāo)的干擾圖像。本文設(shè)計了兩種工作模式的天線陣列，一種為循環(huán)工作模式的天線陣列，另一種為復(fù)用工作模式的天線陣列。

循環(huán)工作模式天線陣列

天線陣列設(shè)置如圖5(a)所示，12個平板天線，呈4行3列排布。編號1、2、3、4、5、6的為發(fā)射天線，編號A、B、C、D、E、F的為接收天線。1號天線發(fā)射A天線接收，依此類推、共六組天線對（1-A）、（2-B）、（3-C）、（4-D）、（5-E）、（6-F）。每個發(fā)射天線依次發(fā)射信號，對應(yīng)的接收天線接收信號，完成一次循環(huán)。陣列結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)點是密集程度高，12個方形天線以很小的間距排成矩形陣列。較大限度地縮減了天線占用空間，12個天線集成在PCB板上尺寸僅約為50mm×70mm，可以制成便攜式手持設(shè)備供檢測人員隨身攜帶。另一方面，循環(huán)工作使每兩對天線工作間距達16mm以上，不會因距離過近而相互干擾，該天線陣列適合安裝在體積小、便攜的儀器設(shè)備中。

復(fù)用工作模式天線陣列

天線陣列設(shè)置如圖5(b)所示，7個平板天線，排列在圓盤的中心和邊界，編號依次為1-7。采用復(fù)用模式時，6個天線既可作為發(fā)射天線，又可作為接收天線。當(dāng)1號天線發(fā)射時，2-7號天線作為接收天線使用；當(dāng)2號天線發(fā)射時，除2號以外的天線作為接收天線使用。依此類推。天線復(fù)用技術(shù)可以極大地減少天線個數(shù)，同時獲得數(shù)量較多的信號組數(shù)，上面結(jié)構(gòu)的天線陣列完成一次檢測共獲得7×6=42組信號。復(fù)用模式的缺點在于天線總數(shù)較少時無法緊密集成，天線間都需保持一定的間距來確保工作時不互相干擾。

結(jié)語

本文設(shè)計了一款基于超寬帶檢測系統(tǒng)的小尺寸平板天線，經(jīng)過仿真優(yōu)化，天線在5GHz~7GHz頻帶正向輻射達3.5dB，側(cè)向輻射較低。使用此天線組成天線陣列，合理安排天線間距，可以避免天線工作時相互干擾。天線陣列集成度高，對開發(fā)體積小、便攜的檢測儀器設(shè)備具有重要應(yīng)用價值。

參考文獻：

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