一种宽频带微带天线的设计

一种宽频带微带天线的设计Ξ　徐　勤　ΞΞ(南京船舶雷达研究所,江苏南京210003)摘　要:介绍了宽频带渐变式微带缝隙天线的工作原理、设计参数及其对电性能的影响,设计了一种结构简单的天线形式,给出了该天线工作于S、C频段的结构尺寸以及VSWR、辐射方向图的仿真和测试数据曲线,两者之间有很好的一致性,并对影响天线性能的关键参数进行了误差计算。

结果表明:在加工精度可达到的范围内,对天线性能的影响不大。

该天线可应用于宽频带单极化、双极化阵列天线单元或反射面天线馈源。

关键词:雷微带天线;宽频带;馈源;阵列单元中图分类号:TN822.8　文献标识码:A　文章编号:100920401(2004)022*******A design of broadband microstrip antennaX U Qi n(N anji ng M ari ne Radar Instit ute,CS IC,N anj ng210003,Chi na)Abstract:The operating principle and designing parameters of the broadband microstrip slot antenna and its influence to the electrical property are proposed in this paper.A simple form of antenna is de2 signed.The scantling of structure,VSWR,the simulation of the radiation pattern and testing data curve of the antenna operating on S and C bands with a consistency between them.An error calcu2 lating to the key parameter influencing the antenna performance is carried through.The results show that the accessible machining precision range will take little influence on the antenna perfor2 mance.The antenna is applicable to the array antenna element with broadband single polarization and dual polarization or antenna feed source with reflecting surface.K ey w ords:microstrip antenna;broadband;feed source;array element1　引　言通常,天线工作的最高频率与最低频率之比大于2,就属于宽频带天线;两者之比大于10,则被认为是超宽频带天线。

超宽频带天线的设计是未来天线设计的发展方向之一。

本文设计的宽频带渐变式微带缝隙天线,最早的形式是由P.J.G ibson、Prasad和Mahapa2 tra在1979年几乎同时提出的,它由一段一端很窄另一端按指数式、V型张开或常数未张开的槽线构成,一般分别称其为Vivaldi天线、L TSA天线或CWSA天线。

通常采用双面敷铜介质基片制造,微带线印刷在介质基片的一面作为馈电,指数式、V型张开或常数开口的槽线印刷在介质基片的反面,其作用相当于微带馈电线与自由空间之间的阻抗变换网络。

槽线的窄端区域决定了高频端的辐射,而张开的口径区域则决定了低频端的辐射。

虽然它们的结构形式不完全相同,但工作原理及辐射的本质是一样的,如图1所示,为其典型的结构示意图。

该类天线的辐射情况与微带贴片、微带振子等不同,它属于端射式行波天线,依赖的是表面波传输,至端口辐射。

由于表面波的相速一般低于光速,故渐变式微带缝隙天线属于一种慢波结构。

对于沿传输路径表面波相速不变的行波天线,存在一个最佳的相速比,它能导致天线获得最大的方向性和更高的增益。

但该类天线由于缝隙的渐变式张开,其传输相速是变化的,从而方向性降低,副瓣电平也降低。

在与介质基片平ΞΞΞ作者简介:徐勤(1962-),男,江西临川人,南京船舶雷达研究所高级工程师,从事舰戴雷达天线设计。

收稿日期:2004201212图1　渐变式微带缝隙天线典型结构行和垂直的两个主平面,具有良好的对称辐射方向图,辐射场为线极化,使用高介电常数的基片时,尺寸小,重量轻,可获得中等高的增益,最独特的优点就是它的宽频带特性。

采用不同的介质材料、介质厚度及改变辐射贴片的形状,可在一定范围内改变辐射方向图的宽窄。

行波类渐变式微带缝隙天线既可用于单独天线,也可单独或组阵用于反射面天线的馈源,更多的是作为单极化或双极化阵列天线的单元,而在毫米波和亚毫米波段的应用则更具有吸引力。

2　宽带设计关于渐变式微带缝隙天线的设计,有不少人已进行了大量的实验研究,也得出了某些经验性的设计规律。

理论上的辐射方向图的数值计算,有很多种方法,如共形映射法、口径场法和矩量法等,一般采用两步处理:第一步确定缝隙的切向电场分布,第二步根据等效性原理,由缝隙上的等效磁流分布求外场。

但由于这类天线所具有的超宽频带特性及所包含的复杂的三维结构,对其进行严格的辐射方向图的数值分析,令人满意的结果只限于低介电常数的很薄的介质基片,且计算时天线的非辐射区宽度为无穷大。

该类天线的缺点就是尺寸大,其在毫米波和亚毫米波段越来越广泛的应用,也就不足为奇了。

为保证结构尺寸不致过大,在常规波段也必须使用高介电常数。

正是由于精确分析和设计技术的缺乏,导致了该天线设计的不成熟。

目前的设计基本上都是采用高频仿真进行。

渐变式微带缝隙天线的超宽频带设计,主要解决两个方面的匹配问题:一是微带线与槽线间馈电转换的阻抗匹配,二是指数式或V 型张开的槽线与自由空间转换的阻抗匹配。

本质上来讲,后者具有固有的宽频带特性,因此该天线的宽频带特性的主要决定因素,在于微带线与槽线间馈电转换的阻抗匹配带宽。

据文献资料,应用于混频器中的一种独特的“双Y 型”微带线2槽线变换,由于其不存在寄生感抗和容抗,而存在固有的宽频带特性。

将此“双Y 型”微带线2槽线变换与指数式张开的槽线相结合,构成了理论上具有宽频带特性的渐变式微带缝隙天线,关键外形结构如图2所示。

图2　宽频带渐变式微带缝隙天线外形 上述关键外形结构图中,关键设计参数有三类:一是如图虚线所示的馈电部分;二是指数式或V 型张开的槽线部分,其形状由下式确定:X =C 1eRZ+C 2(1)式中C 1=(X 2-X 1)/(e R Z 2-e RZ 1)(2)C 2=(X 1e R Z 2-X 2e RZ 1)/(e RZ 2-e R Z 1)(3)图2中的P 1(X ,Z )、P 2(X ,Z )为指数线的起始点和终点,R 为开口速率,控制槽线的形状变化;三是缝隙线起始点空腔的直径D a 。

对三类关键设计参数给出初始设计值后,使用IE3D 高频仿真软件进行仿真,计算中发现,在5:1的频带范围内,各参数之间的相互影响很大,同时由图中也可看出,形状变化及设计参数的复杂性给优化设计带来麻烦。

经过不长时间的设计计算,并未达到令人满意的性能。

3　实际天线的仿真设计计算由于图2所示天线外形结构的复杂性,我们所设计的天线并未采用,而是提出了一种更简单的形式,具体结构如图3所示。

由图3可以看出:该天线的形状变化很规则,设计参数不复杂,优化设计相对方便。

使用的介质材料为:εr =4,材料厚度为1mm ,导带厚度为0.018mm 。

图3中外表面为金属导体,虚线为反面的馈电微带线,微带线居中横跨在馈电槽线上,通过同轴/微带图3　实际结构尺寸示意图转换接头即可转换为同轴线馈电。

这里的微带线与槽线间的过渡,我们未采用复杂的匹配措施。

当然,也可采用共面波导或矩形波导馈电,渐变槽线与共面波导或矩形波导间的过渡,在一般的文献中都有介绍。

通常,渐变槽线天线均用于阵列天线单元,对辐射方向图无特定的要求,因此,很多文献对天线的VSWR的讨论较多,对辐射方向图的讨论则很少。

从天线实际结构示意图可见,结构虽然很简单,但其馈电结构的设计却相当困难。

仿真设计时发现:该天线的工作带宽主要决定于馈电结构,是设计的关键,这与前面定性讨论的结论是一致的。

天线的设计是使用IE3D仿真设计的。

经过大量的设计计算,获得一组能够满足我们技术要求的结构尺寸。

具体数据如下:导体宽度:W=60.0mm张角宽度:W a=20.0mm渐变线长度:L a=20.0mm馈电槽线长度:L f=10.0mm 后向导体长度:Lb=10.0mm馈电槽线宽度:W s=0.6mm馈电微带线与后向导体边线之间的间隔:L s=15.0mm馈电微带线伸出长度:S=7.0mm馈电微带线与中心轴线之间的间隔:F=15.0mm根据以上实际结构尺寸仿真设计的微带天线的VSWR曲线见图3,图4、5分别为天线的辐射方向图。

由图3、4、5的仿真结果可知:在2.6～6.6GHz的工作频带范围内,天线的V S W R≤2.0,在S频段和C 频段的工作频带范围内,天线的V S W R≤1.5,至于辐射方向图的分裂应为计算误差,这已为实际测试结果所验证。

图4　微带天线的仿真设计VSWR曲线图5　E面仿真设计的辐射方向图图6　H面仿真设计的辐射方向图 实际制作天线的尺寸与上述要求的尺寸之间总会有一定的误差,我们在尺寸有一定变化时对天线性能的影响进行了计算。

由于W 、W a 、L a 、L s 、F 等天线尺寸数值相对较大,制造误差对天线的性能不会产生大的影响,计算时对这些尺寸的变化未考虑。

我们只是对馈电微带线尺寸、馈电微带线伸出长度及馈电槽线长度和宽度在尺寸变化0.1mm 时,对天线VSWR 的影响进行了计算。

结果表明:在2.5～6.5GHz 的工作频带范围内,天线的VSWR ≤1.8,只是在具体频点上尺寸变化前后有差别。

4　实际测试结果根据以上仿真设计的实际结构尺寸,我们加工了几种尺寸的微带天线。

由于使用条件的限制,天线外表面水平尺寸并不是仿真设计的尺寸(W 由60mm 变为50mm ),这对实际天线的VSWR 结果会产生影响。

图5所示为天线的实际测试VSWR 结果。

从图中可看出,结构尺寸的变小,使低频端性能变差,很少部分频点的VSWR ≥2.0,但基本满足要求。

图7　天线的实际测试VSWR 结果 图8分别为天线S 频段和C 频段的实测辐射方向图。