一種毫米波微帶雙頻天線陣的設計

李永琪，蔡強明，曹 鑫，朱玉玉，張 良

（西南科技大學，四川 綿陽 621000）

現代通信發展迅速，各種通信所需的電子組件也迅速向高可靠性、短距離、小尺寸、輕量、薄型、高速和多極化方向發展，在功能方面，迫切需要一種具有良好電磁兼容性、抗電子干擾、具備隱身和反隱身特性、具備在多個頻點工作的能力以及較小雷達橫截面的高性能陣列天線。現代通信系統的飛速發展對相控陣天線的機動性提出了嚴格的要求，傳統反射型表面天線的作用受到關鍵缺陷的限制。目前，微帶天線已經被大規模應用于無線電通信、醫用微波輻射計、雷達以及衛星通信等方面。

與微波天線相比，微帶天線的優勢在于：小巧、具有多種形式的電性能、各種極化均易獲得、能夠作為其中一個器件來配置有源電路、可以實現天線同時存在兩個或多個諧振點、簡化整體生產和調試、降低成本。許多天線的開發和應用中都非常關注微帶天線，因此，雙頻和多頻也是微帶天線的重要發展方向。

微帶天線可以利用多模單片法、縫隙加載法[1]、多片法[2]和雙饋電[3]，使天線工作在雙頻或多頻模式下。在綜合考慮增益和相對帶寬的前提下，本項目設計了一個雙頻微帶天線4×1的陣列，采用電抗加載方法，根據傳統的矩形微帶天線設計公式確定普通微帶天線的結構及參數，適當改變部分微帶傳輸線和1/4波長阻抗匹配傳輸線的寬度，以達到雙頻的頻帶寬度和兩頻率點之間的間隔。該方法的優點是天線結構相對簡單，天線各方面的性能指標也比較好，使得天線在實際工程中有一定的應用價值。

1 雙頻天線陣元的原理與設計

要使天線工作在雙頻，可以采用電抗加載的方法。電抗加載實現雙頻天線的一個重要原理是空腔模型的相關理論[3]，對于一個有著較薄介質基片的微帶天線，假設在諧振頻率附近，其輸入阻抗為Zin，則：

在式（1）中，Xr是該模并聯諧振電路的“諧振電抗”，Xf是其他模的組合在一起產生的效應。Xr+Xf=0是其諧振頻率的特征方程。當電抗XL作用于微帶天線時，其頻率特征方程就變為Xr+Xf+XL=0。由此時的頻率特征方程可以看出，通過調節XL的值可以得到兩個零點，微帶天線在雙頻工作[4]。

微帶貼片單元如圖1（a）所示，天線陣元的S11（反射系數）如圖1（b）所示。本貼片單元采用50 Ω的饋線與其進行匹配。天線貼片長度和寬度可以通過下列公式得到：

本項目采用的介質基板是美國Arlon公司生產的Arlon Diclad880，其εr=2.2，厚度h=0.254 mm，tanδ=0.000 9。把有效介電常數定義為εe，經驗計算公式為：

2 雙頻天線陣的設計

假定微帶線的特性阻抗為Zo，天線邊緣阻抗為ZL，1/4波長阻抗變換器的特性阻抗為Zl。根據理論知識，阻抗匹配的條件為：

計算得知，微帶饋電線L1段的特性阻抗為Zo=50 Ω，L3段微帶饋電的特性阻抗應為ZL=50 Ω，由兩端L2都是并聯關系得L2段1/4波長阻抗變換器的阻抗應為Zl=70.7 Ω。根據實際模型的需要和Ansoft HFSS軟件仿真，確定所有線的長度和寬度。

天線的諧振頻率點在32 GHz和35.36 GHz左右，兩個諧振頻率都處于毫米波頻段，其中，諧振點32 GHz所對應的天線的增益為12.37 dB，對應的阻抗帶寬為760 MHz；諧振點為35.36 GHz所對應的天線增益為10.72 dB，對應的阻抗帶寬為740 MHz。

由上述數據分析可知，天線的增益是比較高的，頻帶也是比較寬的，在諧振點32 GHz和35.36 GHz時阻抗帶寬分別達到了2.32%和2.09%[4]。平面雙頻陣列天線如圖2所示，天線陣反射系數結果如圖3所示，天線在不同頻率時在xz和yz截面上的增益方向如圖4所示。

圖1 微帶貼片單元模型

圖2 平面雙頻陣列天線示意

圖3 天線陣反射系數結果

圖4 天線在不同頻率時在xz和yz截面上的增益方向

3 結語

文章所述針對毫米波頻段，設計了一個4×1的陣列天線，該天線由3個T型功分器組成，4個矩形天線陣元采用側饋的方式饋電，天線貼片的中間是饋電點。根據電抗加載的原理，通過調節饋線的寬度和1/4波長阻抗變換器的寬度，使天線有兩個諧振點，分別為32 GHz和35.36 GHz，兩個諧振頻率都位于毫米波頻段，兩個諧振點處的帶寬（VSWR≤2）分別為760 MHz和740 MHz，和其他同種類型的毫米波天線陣列相比，帶寬是比較寬的。通過多次優化仿真，發現適當調整饋線的阻抗可以控制兩個頻率之間的間隔，最后選擇合適的參數，從而使天線陣工作在雙頻，這一特點在大型天線陣的設計中有重要的參考價值，為實現毫米波雙頻天線陣提供了新的可行方案。