一种S波段宽带微带贴片天线阵列的设计

摘要：介绍了一种宽带微带贴片天线单元及2元阵列的设计方法，天线工作的中心频率为2．5 GHz(S波段)。天线单元设计中采用口径耦合理论和层叠贴片天线结构，有效增大了天线的阻抗带宽。仿真结果表明该天线阵列实际增益达到11．9 dB；在2．27～2．78 GHz频率范围内端口驻波比小于2，相对带宽为20．4％；交叉极化电平为-31 dB，证明该天线阵具有宽频带、低交叉极化等优良性能。
关键词：宽带；口径耦合；层叠贴片天线；微带天线

0 引言
    微带天线是应用最广泛的天线之一，它具有体积小、重量轻、低剖面、能与载体共形等优点，目前已成为天线领域中研究的热点之一。采用层叠贴片天线结构可以有效增加微带天线带宽；采用口径耦合的馈电方式可以减少馈电网络对天线辐射单元的耦合。
    本文综合运用口径耦合理论、多层贴片结构设计出一种工作在S波段的宽带微带贴片天线单元，并以该天线单元为基础，采用E面排列形式组成2元线阵。利用电磁仿真软件对该天线阵进行了仿真优化。文中给出了仿真结果，证明该天线阵具有宽频带、低交叉极化等优良性能。

1 天线单元设计
    设计的天线单元结构如图1所示。单元采用有利于展宽天线频带的双层方形贴片结构，下层为激励贴片，尺寸为46 mm；上层为寄生贴片，尺寸为40 mm。第一、二层介质板使用介电常数较低的泡沫材料，以利于场的辐射，同时也降低了微带天线的Q值，进一步增加了天线的带宽。第一层介质板厚度为11 mm，第二层介质板厚度为4 mm。第三层介质板为馈电层，使用介电常数较高的环氧树脂材料，以利于场的束缚，厚度为1 mm。第二、三层介质板之间为开缝接地板，在中心位置刻有一条矩形缝，缝宽为6 mm，缝长为24 mm。第三层介质板的下方是馈电网络，微带馈线采用中心正馈的方式，以增强辐射贴片与馈线之间的耦合，馈线宽度为1 mm。

    仿真得到的天线单元的VSWR如图2所示。在2．22～2．72 GHz的频率范围内VSWR小于2，相对阻抗带宽为20％，与相对阻抗带宽仅为5％的单层贴片微带天线相比，带宽增加了15％。该天线单元的实际增益达到了8．4 dB，如图3所示。

2 天线阵列的设计
    为了获得较高增益，必须对微带天线单元进行组阵。本文以上述天线单元为基础，设计出了2元微带线阵。阵列结构如图4所示，阵列的馈电网络采用并馈形式，两个阵元之间采用E面排列形式，通过一个等幅同相微带T型功分器连接组成。其中，微带T型功分器采用多节阻抗变换段进行阻抗匹配以便展宽频带。本文设计的微带T型功分器由两级阻抗变换段组成，如图5所示。

    第一级阻抗变换段长度为16 mm，微带线宽度为2．4 mm；第二级阻抗变换段长度为15 mm，微带线宽度为0．89 mm。图6为该微带T型功分器的反射系数曲线图，可以看出采用了两级阻抗变换段的微带T型功分器在较宽的工作频带内保持了较小的反射系数。研究表明：当d／λ0(d为阵元之间的间距，λ0为中心频率点的波长)取0．7～0．8时，增益和方向系数达到最佳。文中天线阵元之间的间距取84 mm，约0．7λ0。此外，设计中馈线转弯处均采用45°弯角，并充分考虑了馈电网络中不必要的辐射和损耗对天线增益带来的影响。
    基于以上设计，利用电磁仿真软件CST对该天线阵列进行了仿真和优化。
    图7给出了阵列端口的驻波比。

    图8给出了中心频率点处阵列的实际增益方向图。

    图9给出了交叉极化电平随频率变化曲线。
    以上仿真结果表明：该天线阵实际增益达到11．9 dB；在2．27～2．78 GHz频率范围内VSWR小于2，相对带宽为20．4％；在此频率范围内E面交叉极化电平小于-27 dB，H面交叉极化电平小于-26 dB；在中心频率点处E面交叉极化电平为-31 dB，H面交叉极化电平小于-29 dB。由此可见，该天线阵列具有宽频带、低交叉极化等优良性能。

3 结论
    微带天线的主要缺点是频带较窄，获得较宽的工作频带一直是该领域研究中的一个难点。本文综合运用口径耦合理论、层叠贴片结构设计了一种宽带微带贴片天线单元及两元阵列结构。口径耦合的馈电方式以及层叠贴片天线结构可以获得较宽的频带。仿真结果证明该微带天线阵列具有宽频带、低交叉极化等优良性能，有良好的应用前景。