四元微帶天線陣設(shè)計(jì)方案

1、天線方案在設(shè)計(jì)2.4GHz單向無線通信系統(tǒng)中，鑒于傳輸信號(hào)帶寬較窄，對(duì)天線小型化要求不高（不大于），因此收發(fā)天線采用設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)單、材料廉價(jià)易得的微帶陣列天線，而且由于收發(fā)天線互易性，發(fā)射與接收天線采用同一設(shè)計(jì)方案。天線單元采用矩形貼片設(shè)計(jì)，最后組成2*2的四元微帶天線陣列。該天線具體設(shè)計(jì)性能指標(biāo)如下：工作頻率：2.442.45GHz增益：>6dB下文介紹本微帶陣列天線相關(guān)的設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)過程。上世紀(jì)50年代微帶輻射器的概念被人提出，70年代初出現(xiàn)了第一批使用的微帶天線。微帶天線的最基本形式是在有金屬導(dǎo)體接地的介質(zhì)基片上貼加金屬導(dǎo)體薄片。貼片可以是任意形狀，它是利用微帶天線、同軸探針等結(jié)構(gòu)

2、對(duì)貼片饋電，在導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵(lì)起射頻電磁場(chǎng)，并通過貼片周圍與接地板之間的縫隙向外輻射。因此可認(rèn)為微帶天線是一種縫隙天線?？捎貌煌奶炀€單元來組成陣列天線，提高其性能來滿足不同的需要。1.貼片單元設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的微帶天線是由貼在帶有金屬底板的介質(zhì)基片上的輻射貼片所構(gòu)成的。貼片導(dǎo)體通常是銅或金，它可取任意形狀。但是通常都采用常規(guī)的形狀以簡(jiǎn)化分析和預(yù)期其性能?；慕殡姵?shù)應(yīng)較低，這樣可以增強(qiáng)產(chǎn)生輻射的邊緣場(chǎng)。微帶天線單元貨微帶天線陣列其結(jié)構(gòu)通常都比較簡(jiǎn)單，但其電磁場(chǎng)的分析卻很復(fù)雜。一方面，微帶天線的品質(zhì)因數(shù)很高，使得較難得到精確的阻抗特性；并且，戒指的各向異性、加載、損耗、表面波效應(yīng)等影響

3、也較嚴(yán)重。另一方面，微帶天線的幾何結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，包括不同的貼片形狀、饋電方法，以及寄生單元或?qū)盈B單元的應(yīng)用，共面饋電網(wǎng)絡(luò)與有緣線路的集成等。微帶天線的分析方法主要氛圍基于簡(jiǎn)化假設(shè)的近似方法和全波分析方法兩大類。全波分析方法有更好的適應(yīng)性和更高的精度，但速度較慢。第一類方法包括傳輸線模型，空腔模型和分段模型。這種方法將貼片單元當(dāng)做一段傳輸線或是空腔諧振器，簡(jiǎn)化了分析和計(jì)算，提高了速度，并且物理概念清晰，可以提供設(shè)計(jì)的初始數(shù)據(jù)。1.1微帶天線的傳輸線模型圖 1傳輸線法物理模型利用傳輸線模式分析微帶天線是比較早期的方法，也是最簡(jiǎn)單的方法。圖 1傳輸線法物理模型所示為傳輸線法物理模型。傳輸線模型

4、的基本假設(shè)是：1）微帶片和金屬底板構(gòu)成一段微帶傳輸線，傳輸準(zhǔn)TEM波，博得傳輸方向決定于饋電點(diǎn)。線段長(zhǎng)度，為準(zhǔn)TEM波的波長(zhǎng)。常在傳輸方向是駐波分布，而在其垂直方向是常數(shù)。2）傳輸線的兩個(gè)開口端等效為兩個(gè)輻射縫長(zhǎng)為W，寬為h，縫口徑場(chǎng)即為傳輸線開口端場(chǎng)強(qiáng)?？p平面看作位于微帶片兩端的延伸面上，即是將開口面向上折轉(zhuǎn)90o,而開口場(chǎng)強(qiáng)隨之折轉(zhuǎn)。由以上兩條基本假設(shè)可以看出，當(dāng)時(shí)，二縫上切向電場(chǎng)均為x方向，且等幅同相、它們等效為磁流，由于金屬底板的作用，相當(dāng)于有二倍磁流向上半空間輻射?？p上等效磁流密度為，式中，V為傳輸線開口端電壓。由于縫已放平，在計(jì)算上半空間輻射場(chǎng)時(shí)，就可按自由空間處理，這是這種方法的

5、方便之處。1.2微帶天線單元設(shè)計(jì)微帶天線的貼片形狀可采用矩形、圓形、環(huán)形、三角形等，他們都各有特點(diǎn)，但考慮到制板以及微帶線饋電和匹配，通常大多采用矩形貼片。一般矩形微帶天線的饋電方式都是從貼片某一邊的中心點(diǎn)饋電由于饋電點(diǎn)所在的邊和輻射邊平行，輻射邊是均勻分布，因此激勵(lì)的工作模為TM01。這樣形成的極化形式為線極化。矩形微帶天線單元坐標(biāo)示意圖如圖 2所示。其與設(shè)計(jì)有關(guān)參量包括：輻射元長(zhǎng)度L，輻射元寬度W，介質(zhì)板厚度h，介質(zhì)板的長(zhǎng)度LG和寬度WG，介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和損耗角正切，饋電方式及阻抗匹配。圖 2矩形微帶天線單元坐標(biāo)示意圖1.2.1介質(zhì)基板的選取作為微帶天線設(shè)計(jì)的第一步就是要選定介質(zhì)基板并

6、確定其厚度h。這是因?yàn)榛宀牧系暮椭导捌浜穸萮直接影響這微帶天線的一系列性能指標(biāo)：1. 對(duì)尺寸及體積重量的影響工作于主模TM01模矩形微帶天線貼片長(zhǎng)度近似為，為介質(zhì)內(nèi)波長(zhǎng)。，為自由空間波長(zhǎng)，為等效介電常數(shù)，實(shí)質(zhì)上就是用某一均勻介質(zhì)充填全部空間而微帶分布電容不變時(shí)，該介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)?？杀硎境? 1 )可見L值與直接相關(guān)。當(dāng)L、W確定后，則h的取值決定著天線的體積和重量。2. 對(duì)微帶線特性阻抗的影響本設(shè)計(jì)中需要對(duì)給微帶天線單元進(jìn)行饋電的微帶線的特性阻抗與微帶線的寬度直接相關(guān)，為了使微帶天線單元與傳輸線較好地匹配，需要特定阻抗的微帶線對(duì)其進(jìn)行饋電。微帶線由一條導(dǎo)體帶和背面有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片構(gòu)

7、成。導(dǎo)體帶寬度為w，介質(zhì)基片厚度為h，相對(duì)介電常數(shù)為。微帶線傳輸準(zhǔn)TEM模。當(dāng)及已知時(shí)，微帶線的特性阻抗取決于比值，隨增大而減小。給定特性阻抗，可用下列公式求得所需微帶線的寬度w:( 2 )3. 對(duì)方向特性的影響如在傳輸線模型分析法中所述，矩形微帶天線的E面方向圖與兩邊輻射邊間距L有關(guān)。對(duì)于相同的工作頻率采用不同的基板則由式( 1 )知對(duì)應(yīng)的L值不同，所以E面的波束寬度也就不同。E面波束寬度可根據(jù)二元陣公式算出， ( 3 )式中，A是每個(gè)元的激勵(lì)幅度，是用電角度表示的元的間隔。4. 基板厚度h對(duì)頻帶的影響頻帶窄是微帶天線的主要缺點(diǎn)之一，對(duì)矩形微帶天線其原因可理解為兩個(gè)輻射縫之間低的傳輸線特性阻

8、抗（）所致。h的增大使傳輸線特性阻抗增大從而使頻帶變寬。當(dāng)厚度時(shí)，的頻帶寬度的經(jīng)驗(yàn)公式為：頻帶（MHz）= ( 4 )式中，f是以GHz為單位的頻率，h是以毫米為單位的基板厚度。5. 基板厚度對(duì)效率的影響實(shí)驗(yàn)證明基板厚度對(duì)輻射效率有顯著的影響，h的增大使輻射效率增大。有文獻(xiàn)中給出：當(dāng)采用的基板，工作于400MHz的天線，若h=0.079cm，效率為65%，當(dāng)h=0.318cm時(shí)，效率為85%。上述諸因素中有的是相互制約的。例如為了展寬頻帶和提高效率而增大基板厚度h，但h的增加不但使重量增加而且破壞了低剖面特性這在某些飛行器天線的應(yīng)用是很忌諱的。事實(shí)上并不存在各個(gè)方面都理想的基板材料，而主要根據(jù)

9、應(yīng)用的具體要求來權(quán)衡選定。本設(shè)計(jì)中決定基板材料與厚度最重要的因素是要保證天線各單元與微帶線較好的匹配，并且最終并聯(lián)后與50的同軸接頭良好匹配。最終決定選取，厚度的介質(zhì)基板。1.2.2單元尺寸的選取1. 單元寬度在確定介質(zhì)基板材料及其厚度h后，應(yīng)先確定單元寬度W的尺寸。因?yàn)橛墒? 1 )知，當(dāng)及已知時(shí)取決于W，而單元長(zhǎng)度L值又與直接相關(guān)。W的尺寸影響著微帶天線的方向性函數(shù)、輻射電阻及輸入阻抗，從而影響著頻帶寬度和輻射效率。另外，W的尺寸直接支配著微帶天線的總尺寸。W的計(jì)算公式由下式給出:( 5 )其中為天線的工作頻率，為光速，為介質(zhì)基片的相對(duì)介電常數(shù)。2. 單元長(zhǎng)度矩形微帶天線的長(zhǎng)度L在理論上取

10、，但實(shí)際上由于邊緣場(chǎng)的影響在設(shè)計(jì)L的尺寸時(shí)應(yīng)減去，計(jì)算公式由式（6）（7）給出。( 6 )( 7 )本設(shè)計(jì)天線工作頻帶在2.442.45GHz，取。由式( 5 )( 7 )( 7 )計(jì)算得天線設(shè)計(jì)尺寸為。使用電磁仿真軟件HFSS實(shí)際仿真了該單元天線，如圖 3所示為HFSS仿真微帶天線單元結(jié)構(gòu)示意圖。用HFSS對(duì)單元尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化尺寸為。圖 3HFSS仿真微帶天線單元結(jié)構(gòu)示意圖1.3微帶天線單元饋電網(wǎng)絡(luò)天線是一種能量變換器。從發(fā)射機(jī)到天線以及從天線到接收機(jī)之間的連接依靠饋線（傳輸線）來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)負(fù)載（天線）阻抗等于傳輸線的特性阻抗時(shí)，其工作在行波狀態(tài)，傳輸效率最高。良好的阻抗匹配可以明顯提高

11、天線的輻射效率和增益。對(duì)微帶單元天線進(jìn)行饋電的兩種基本方式：1）微帶線饋電；2）同軸線饋電。按饋線位置，也可分為側(cè)饋和背饋兩種方式。在本設(shè)計(jì)中，采用微帶線對(duì)單元微帶天線進(jìn)行側(cè)饋，如圖 4所示。圖 4微帶線側(cè)饋示意圖天線輸入阻抗與饋線特性阻抗的匹配可由適當(dāng)選擇饋電點(diǎn)位置來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)饋點(diǎn)沿矩形貼片的兩邊移動(dòng)時(shí)，天線諧振電阻調(diào)節(jié)范圍很大。微帶天線貼片單元的諧振電阻可近似表示如下：( 8 )其中為天線總的品質(zhì)因子，由式( 6 )給出，為饋電點(diǎn)位置，采用側(cè)饋時(shí)。 ( 9 )分別對(duì)應(yīng)于輻射損耗、介質(zhì)損耗、導(dǎo)體損耗和表面波損耗的品質(zhì)因子值。( 10 )設(shè)計(jì)要求由式( 8 )、( 10 )確定的天線阻抗和式(

12、2 )傳輸線特性阻抗達(dá)到匹配，這樣可以使天線工作在最佳狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中，可由上述經(jīng)驗(yàn)公式得到天線實(shí)際的諧振阻抗約在200左右，則選取特性阻抗為200左右的饋線對(duì)該貼片單元進(jìn)行饋電可以實(shí)現(xiàn)較好的阻抗匹配。由公式( 2 )，結(jié)合選取的介質(zhì)基板材料及實(shí)際加工工藝精度0.1mm，最后選定饋線寬度為，特性阻抗為。用HFSS對(duì)該微帶天線單元進(jìn)行數(shù)值仿真分析，圖 5所示分別為微帶天線單元的VSWR與增益仿真結(jié)果圖。可以看出，該天線單元的的帶寬為47M，主瓣增益為7.3dB。圖 5微帶天線單元的VSWR與增益仿真結(jié)果圖2.陣列設(shè)計(jì)在各種實(shí)際應(yīng)用中，往往要求天線具有高增益、高功率、低旁瓣、波束掃描或波束控制等特性

13、。由于天線陣或相控陣可能獲得這些特性，從而使得陣技術(shù)在實(shí)際中獲得廣泛的應(yīng)用，大大促進(jìn)了陣技術(shù)和理論的發(fā)展。70年代以后，隨著微帶天線的出現(xiàn)與發(fā)展，人們對(duì)以微帶線饋電的微帶天線陣產(chǎn)生濃厚興趣。同一般微波天線一樣，要得到高增益，波束掃描或波束控制等特性，只有將離散的輻射元組成陣列才有可能。微帶天線陣在下列諸方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作和生產(chǎn)；（2）重量輕、體積小和成本低；（3）容易同安裝表面拱形或在安裝表面有很薄的凸起；（4）易于實(shí)現(xiàn)多極化、變極化或雙頻工作；（5）饋電網(wǎng)絡(luò)可以與微帶天線元集成在同一介質(zhì)板上。本設(shè)計(jì)中天線陣元采用上面討論的矩形貼片單元組成2*2四元陣，增益和帶寬都能

14、較好滿足設(shè)計(jì)要求。2.1陣的饋電及結(jié)構(gòu)陣的饋電網(wǎng)絡(luò)主要任務(wù)是保證各陣元所要求的激勵(lì)振幅和相位，以便形成所要求的方向圖，或者使天線性能某項(xiàng)指標(biāo)最佳。對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)的主要要求是阻抗匹配、損耗小、頻帶寬和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等。陣的饋電形式主要有并連和串聯(lián)饋電兩種形式。本設(shè)計(jì)采用并聯(lián)饋電，將饋電點(diǎn)的輸入功率平均分配到各個(gè)陣元。本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的同相陣，可以利用各路饋線等長(zhǎng)來保證各元同相激勵(lì)。圖 6所示為設(shè)計(jì)的四元微帶天線陣列示意圖。在饋電點(diǎn)處采用同軸線背饋。圖 6四元微帶天線陣列示意圖本設(shè)計(jì)中，用作總饋線的同軸線特性阻抗為50，兩邊的微帶線是并聯(lián)關(guān)系，為了達(dá)到阻抗匹配，選定線寬使特性阻抗為100；同理，對(duì)到各陣元的饋線，選定線寬使特性阻抗為192（約200）。為了使該段饋線與實(shí)際天線諧振阻抗匹配，一般來說，需要一段阻抗變換段，由經(jīng)驗(yàn)公式( 8 )計(jì)算的天線諧振阻抗在200左右，考慮實(shí)際加工工藝選定變換段線寬。另外，由于陣列天線各單元間互耦的影響，為了使天線工作在設(shè)計(jì)的頻帶，單元尺寸需要優(yōu)化，優(yōu)化后單元尺寸。如圖 7所示為HFSS仿真微帶天線陣列結(jié)構(gòu)示意圖。圖 7HFSS仿真微帶天線陣列結(jié)構(gòu)示意圖2.2陣的性能分析如圖 8所示為微帶天線陣列的VSWR與增益仿真結(jié)果圖，可以看出，該設(shè)計(jì)微帶天線陣列的的頻帶為2.422.46GHz，帶寬為40MHz，滿足設(shè)計(jì)