基于菱形單元的寬帶微帶柵格陣列天線設計

郝 剛，劉宇峰，陳新偉，韓國瑞

(山西大學 物理電子工程學院，山西 太原 030006)

0 引 言

柵格天線陣列(GAA)是一種具有多個矩形導線環或者微帶線環的平面陣列天線[1]，它在 1964年 由Kraus 作為頻率掃描天線提出[2]，并由Conti等人發展為微帶版本的駐波天線[3].通常，柵格的短邊和長邊分別約為工作頻率下的0.5λ和λ，電流在短邊呈同相分布，形成主輻射；與短邊垂直的長邊電流在中點處反相，形成交叉輻射.微帶柵格陣列天線主要具有體積小、易制造、交叉極化可控、高增益、饋電簡單等優點[4,5]，可作為通信天線，如室外網橋信號的點對點傳輸，隧道、礦井等信號覆蓋較差場景下的移動通信，以及附著在飛機或衛星等載體表面做共形天線；還可應用在醫學領域，利用柵格陣列天線的高定向、高增益做微波熱療.然而受制于微帶線元的窄帶特性，天線在諧振點附近的輸入阻抗對頻率變化很敏感，這就使得原始結構下的帶寬較窄，無法滿足寬帶通信的要求[6]，例如，在Assimonis等人的研究工作中[7]，7個輻射單元的原型柵格陣列的仿真阻抗帶寬不足3%；在陳星等人的研究工作中[8]，13個輻射單元的微帶柵格陣列的阻抗帶寬為4.5%.因此設計一個具有寬帶特性的GAA是一項很有意義的工作.近年來，國內外學者提出了一些提高GAA帶寬的方法.Chen等人[9]使用階梯型的微帶線連接源端口和臨近節點，改善了多單元陣列天線的阻抗匹配，最大帶寬為2.65%；Assimonis等人[7]研究了柵格陣列天線在阻抗帶寬和最大增益方面的影響因素，通過加載接地電阻把天線的帶寬從2.19% 提升到了5.32%；Khan等人[10]把天線設計為多層結構，饋電網絡和天線分開設計，便于端口和天線輸入端的阻抗匹配，仿真帶寬為11.5%；Arnieri等人[11]采用長度可變的單元形成多諧振的輻射結構，利用多個諧振點展寬帶寬，仿真的相對帶寬為11.7%.陳星等人[12]設計了一種橢圓輻射單元的微帶柵格陣列天線，橢圓貼片增加了瞬時電流路徑，經過 110h 的算法優化后有效帶寬達到12.7%.微帶柵格陣列天線的阻抗帶寬通常不會超過相對帶寬的幾個百分點[13], 因此帶寬超過10% 即屬于寬帶.

本文采用菱形貼片作為輻射單元，調整了陣列上下邊的單元寬度，從而改善了天線的頻率響應特性；采用探入式同軸探針饋電，增加阻抗帶寬且不改變方向圖特性.仿真分析結果表明，陣列天線的相對帶寬(|S11|<-10 dB)達到了 13.0%，在工作頻率2.45 GHz處有最大增益 15.4 dBi.

1 天線結構

圖 1 為菱形微帶柵格陣列天線的結構，深色區域為金屬部分，淺色區域為介質基板，介質基板采用相對介電常數ε1=2.55，厚度h1=1 mm的聚四氟乙烯材料，介質基板和地平面之間填充了厚度為h2的空氣間隙.天線的總尺寸為290×205×7.4 mm3.

柵格陣列由菱形微帶貼片作為陣元，經過曲線傳輸線的連接構成.整個陣列共有4個柵格，每個柵格含有2個菱形輻射邊和2條傳輸線.菱形單元的尺寸不完全一致，中心的3個菱形寬為sb，其余4個菱形寬為sc，所有菱形的長均為sa.菱形貼片作為主要輻射單元，它的瞬時電流相位基本相同，進而形成側向輻射的主波束.位于x方向的傳輸線的長度分別為lt及2lt，峰值為A，寬度為wt，以穿過F點的曲線為例，它采用正弦分布，可由式(1)確定

y(x)=sin(0.44x)×(A-wt)/2，

(1)

式中：x∈[-lt,+lt].天線采用特性阻抗為50 Ω的探入式同軸線饋電，探入高度為h.同軸內導體穿過地板、空氣間隙和介質層，連接到饋電點F上，外導體接地.

(a) 正視圖

根據多層介質理論可知，兩層介質的等效介電常數

(2)

式中：ε1為空氣的相對介電常數，則微帶柵格陣列天線的介質波長

(3)

式中：λ0為自由空間波長；c為自由空間的光速.

2 參數分析

線寬wt影響天線的交叉極化，wt越小交叉輻射也越小，但是wt太小會使阻抗和傳輸損耗迅速增大.一般確保wt使得傳輸線的特性阻抗在250 Ω以下，即

(4)

經過仿真分析后，確定wt=1.8 mm(0.02λg)，此時傳輸線的特性阻抗滿足式(4).

介質基板和地平面之間填充空氣可以降低天線的Q值，但增加天線高度會使同軸探針變長，輸入阻抗中的感性分量增加，因此有必要對探針引入的感抗進行控制.圖 2 對饋電探入的高度h進行了參數分析.h=0 mm即不進行控制時，天線在2.45 GHz 附近的帶寬較窄；隨著h的增大，阻抗匹配改善明顯.可見，采用探入式的饋電方法有助于更好的阻抗匹配，增加帶寬.經過參數分析后，確定h=3.2 mm.

圖 2 探入不同高度下的仿真|S11|

為進一步改善天線在2.45 GHz附近的阻抗匹配，并降低旁瓣水平，對中心以外的4個菱形寬度sc進行縮減.圖 3 為sc的變化對反射系數的影響.sc=44 mm，即所有菱形大小一致時，|S11|<-10 dB 的帶寬較窄，且諧振點向低頻偏移；隨著sc的減小，帶寬增加.經過參數分析后，確定sc=29 mm.

圖 3 菱形不同寬度下的仿真|S11|

天線的諧振頻率主要與柵格尺寸有關，根據文獻[8]的工作，陣列天線的h2，sa，sb，lt和A可分別為0.05λg～ 0.08λg，0.4λg～ 0.7λg，0.2λg～ 0.4λg，0.3λg～ 0.8λg和0.06λg～ 0.12λg.同樣經過柵格陣列天線參數分析后，確定h2=6.4 mm(0.05λg)；sa=78 mm(0.66λg)；sb=44 mm(0.36λg)；lt=69 mm(0.58λg)；A=10.8 mm(0.09λg)時微帶柵格陣列天線柵格陣列在2.45 GHz有較好的諧振.

3 天線性能

圖 4 為該菱形柵格陣列天線的|S11|參數曲線.符合|S11|<-10 dB的范圍是2.30 GHz～2.62 GHz，相對帶寬達到13.0%，天線在2.45 GHz 頻點處的匹配良好，反射系數的幅值低于-20 dB.

圖 4 天線的仿真|S11|曲線

圖5為天線的增益變化.在2.45 GHz處天線有最大增益15.4 dBi，這對于7個輻射單元的柵格陣列天線是一個高值，相比文獻[12]的13.7 dBi 和文獻[14]中23個輻射單元的14.4 dBi.3 dB增益下降帶寬為14.3% (2.28 GHz～2.63 GHz)，與阻抗帶寬幾乎重合.

圖 5 天線的增益變化

圖 6 為天線在2.45 GHz處的歸一化輻射方向圖.天線在側向上輻射出一個定向波束，H面和E面的HPBW分別為37.5°和23.6°，第一旁瓣水平均低于-15.6 dB，且交叉極化很小，主交叉極化相差25 dB以上.H面方向圖完全對稱，主波束指向為天線面的法線；由于饋電位置偏移天線幾何中心，E面方向圖有2°的波束傾斜.

(a) H面

微帶柵格陣列天線的旁瓣主要受遠離饋電點的非同步電流影響，此外還與互耦、衍射效應、單元匹配和饋電網絡隔離誤差等因素有關.該天線中由于基板是電薄的，表面波很弱，衍射效應較小，因此主要受到彎曲的傳輸線自身耦合影響.設計天線的邊緣菱形寬度變窄，除了利于阻抗匹配，還可減小邊緣場強，從而更集中于中心的輻射單元，形成高增益、低旁瓣的側面波束.表 1 列出了本文及部分文獻中天線的工作帶寬.

表 1 柵格陣列天線的工作帶寬

4 結 論

本文設計了一個2.45 GHz的菱形輻射單元的微帶柵格陣列天線.傳統柵格的短邊被菱形結構取代，柵格的長邊采用正弦曲線，有效減小輻射口徑.采用探入式同軸饋電，減小了陣列邊緣的菱形寬度，提供更好的阻抗帶寬和方向圖特性.天線的總尺寸為290×205×7.4 mm3.仿真結果顯示，天線的阻抗帶寬(|S11|<-10 dB)為13.0% (2.30 GHz～2.62 GHz)，在工作頻率2.45 GHz處，|S11|<-20 dB，且有最大增益15.4 dBi，天線的交叉極化低于-25 dB，第一旁瓣低于-15.6 dB.證明了本文提出的菱形貼片結構作為柵格陣列輻射單元的可行性，為寬帶柵格陣列的設計提供了新的思路.