- 11 -
第09期
2020年5月No.09May，2020
现代通信发展迅速，各种通信所需的电子组件也迅速向高可靠性、短距离、小尺寸、轻量、薄型、高速和多极化方向发展，在功能方面，迫切需要一种具有良好电磁兼容性、抗电子干扰、具备隐身和反隐身特性、具备在多个频点工作的能力以及较小雷达横截面的高性能阵列天线。现代通信系统的飞速发展对相控阵天线的机动性提出了严格的要求，传统反射型表面天线的作用受到关键缺陷的限制。目前，微带天线已经被大规模应用于无线电通信、医用微波辐射计、雷达以及卫星通信等方面。 与微波天线相比，微带天线的优势在于：小巧、具有多种形式的电性能、各种极化均易获得、能够作为其中一个器件来配置有源电路、可以实现天线同时存在两个或多个谐振点、简化整体生产和调试、降低成本。许多天线的开发和应用中都非常关注微带天线，因此，双频和多频也是微带天线的重要发展方向。 微带天线可以利用多模单片法、缝隙加载法[1]、多片法[2]
和双馈电[3]，使天线工作在双频或多频模式下。在综合考虑增益和相对带宽的前提下，本项目设计了一个双频微带天线4×1的阵列，采用电抗加载方法，根据传统的矩形微带天线设计公式确定普通微带天线的结构及参数，适当改变部分微带传输线和1/4波长阻抗匹配传输线的宽度，以达到双频的频带宽度和两频率点之间的间隔。该方法的优点是天线结构相对简单，天线各方面的性能指标也比较好，使得天线在实际工程中有一定的应用价值。1 双频天线阵元的原理与设计 要使天线工作在双频，可以采用电抗加载的方法。电抗加载实现双频天线的一个重要原理是空腔模型的相关理论[3]，对于一个有着较薄介质基片的微带天线，假设在谐振频率附近，其输入阻抗为Z in ，则：
Z in =R+jX r +jX f （1）
在式（1）中，X r 是该模并联谐振电路的“谐振电抗”，
X f 是其他模的组合在一起产生的效应。
X r +X f =0是其谐振频率的特征方程。当电抗X L 作用于微带天线时，其频率特征方程就变为X r +X f +X L =0。由此时的频率特征方程可以看出，通过
调节X L 的值可以得到两个零点，微带天线在双频工作[4]。
微带贴片单元如图1（a ）所示，天线阵元的S 11（反射系数）如图1（b ）所示。本贴片单元采用50 Ω的馈线与其进行匹配。天线贴片长度和宽度可以通过下列公式得到：
1
2
阵列天线0122r C W f ε−
+
=
（2）
本项目采用的介质基板是美国Arlon 公司生产的Arlon
Diclad880，其εr =2.2，厚度h =0.254 mm ，tan δ=0.000 9。把有效介电常数定义为εe ，经验计算公式为：
()()12
1112
r r e h W εεε−
++−+ =
（3）
2 双频天线阵的设计
假定微带线的特性阻抗为Z o ，天线边缘阻抗为Z L ，1/4波长阻抗变换器的特性阻抗为Z l 。根据理论知识，阻抗匹配的条件为：
l
Z =（4）计算得知，微带馈电线L1段的特性阻抗为Z o =50 Ω，L3段
微带馈电的特性阻抗应为Z L =50 Ω，由两端L2都是并联关系得L2段1/4波长阻抗变换器的阻抗应为Z l =70.7 Ω。根据实际模型的需要和Ansoft HFSS 软件仿真，确定所有线的长度和宽度。
天线的谐振频率点在32 GHz 和35.36 GHz 左右，两个谐振频率都处于毫米波频段，其中，谐振点32
GHz 所对应的天线的增益为12.37 dB ，对应的阻抗带宽为760 MHz ；谐振点为35.36 GHz 所对应的天线增益为10.72 dB ，对应的阻抗带宽为740 MHz 。
由上述数据分析可知，天线的增益是比较高的，频带也是比较宽的，在谐振点32 GHz 和35.36 GHz 时阻抗带宽分别达到了2.32%和2.09%[4]。平面双频阵列天线如图2所示，天线阵反射系数结果如图3所示，天线在不同频率时在xz 和yz 截面上的增益方向如图4所示。
基金项目：国家自然科学基金项目；项目编号：61801406。省级大学生创新创业训练项目；项目编号：S201910619034。西南科技大学博士研究基金项目；项目编号：19zx7156，19zx7161。作者简介：李永琪（1999— ），男，河南安阳人，本科生；研究方向：毫米波天线与电磁兼容。
摘 要：文章阐述了利用3个T 型功分器设计一个4×1的毫米波微带双频并馈天线阵方案，该双频天线阵的中心频率在32 GHz
和35.36 GHz 左右，运用Ansoft HFSS 软件进行仿真测试，天线阵的增益方向图说明该天线阵主要的辐射方向是上半空，天线阵在32 GHz 的增益为12.62 dB ，在35.36 GHz 的增益为10.72 dB 。关键词：毫米波；双频天线；天线阵；微带天线；T 型功分器一种毫米波微带双频天线阵的设计
李永琪，蔡强明，曹 鑫，朱玉玉，张 良
（西南科技大学，四川 绵阳 621000）
无线互联科技
Wireless Internet Technology
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议