串联邻近耦合馈电微带天线阵列的设计

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2019.03.016引用格式:吴跃敏,汪敏,李翌璇,等.串联邻近耦合馈电微带天线阵列的设计[J].电讯技术,2019,59(3):337-342.[WUYuemin,WANGMin,LIYixuan,etal.Designofseriesproximity-coupledmicrostripantennaarrays[J].TelecommunicationEngineering,2019,59(3):337-342.]串联邻近耦合馈电微带天线阵列的设计*吴跃敏,汪摇敏**,李翌璇,吴摇文(南京理工大学电子工程与光电技术学院,南京210094)摘摇要:针对高增益、高效率的微带天线需求,将邻近耦合馈电引入串馈微带阵列,提出两种串联谐振微带天线阵列设计。首先研制出1´16元低副瓣串联天线阵列,工作频率35GHz,测试得到增益为17.3dBi,带宽4.3%,副瓣电平-17.6dB。在上述馈电方式中引入U型谐振器及馈电缝隙,提出一种串联邻近耦合馈电的双频正交极化天线阵列,中心频率分别为4.5GHz和5.0GHz,两个频带内带宽分别为5.0%和7.8%,隔离良好,中心频率处增益为7.6dBi和8.2dBi。这种馈电方式便于组成高效率的大阵列,同时具有良好带宽,在实现多功能共口径阵列中具有独特优势。关键词:共口径阵列;微带天线;串联馈电;邻近耦合;正交极化开放科学(资源服务)标识码(OSID):微信扫描二维码听独家语音释文与作者在线交流中图分类号:TN820摇摇文献标志码:A摇摇文章编号:1001-893X(2019)03-0337-06DesignofSeriesProximity-coupledMicrostripAntennaArraysWUYuemin,WANGMin,LIYixuan,WUWen(SchoolofElectronicandOpticalEnginnering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China)Abstract:Tomeettherequirementsofhigh-gainandhigh-efficiencymicrostripantennas,twoseriesmi鄄crostripresonantantennaarraysareproposedbyintroducingproximity-coupledfeedschemeintotheseries-fedarrays.A16-elementlowside-lobeseriesarrayisdevelopedwithacenterfrequencyof35GHz.Measuredgainof17.3dBi,bandwidthof4.3%,andside-lobelevelof-17.6dBhavebeenobtained.Theproximity-couplingfeedisfurthurimprovedwithintroducingUresonatorsandfeedingslots,sothatanovelseriesdual-bandorthogonal-polarizedantennaarrayisproposed.Bandwidthsof5.0%and7.8%,andmaximumgainsof7.6dBiand8.2dBihavebeenachievedforthecenterfrequenciesof4.5GHzand5.0GHz,respectively.Goodisolationbetweentwobandsisobtained.Thefeedschemeisconvenienttoformalargearraywithhighefficiencyandgoodbandwidth.Italsohasuniqueadvantagesinrealizingmulti鄄functionalshared-aperturemicrostripantennaarrays.Keywords:shared-aperturearray;microstripantenna;series-fed;proximity-couple;orthogonalpolarization1摇引摇言微带贴片天线由带导体接地板的介质基片上贴加导体薄片形成,具有剖面薄、体积小、重量轻等优点,广泛应用于无线电设备中[1]。增益是天线的重·733·第59卷第3期2019年3月电讯技术TelecommunicationEngineeringVol.59,No.3March,2019***收稿日期:2018-07-06;修回日期:2018-10-10基金项目:国家自然科学基金资助项目(61771242)通信作者:[e-mail]要指标,高增益天线可以有效提高系统的灵敏度,降低对系统中其他部件的性能要求和复杂度。共口径天线将不同性能以及不同功能的天线共用同一个口径,例如多频多极化、多波束天线等。随着通信、雷达系统逐步向宽带、多功能、集成化方向发展[2],宽带、高增益、高效率以及共口径的微带阵列天线越来越受到关注。对微带贴片单元的馈电通常有同轴馈电、微带线直接馈电、孔径耦合馈电以及邻近耦合馈电等方式。同轴馈电不便于组阵;微带线直接馈电带宽较窄;孔径耦合和邻近耦合馈电两种方式属于非接触式馈电,具有良好的带宽特性,但两者多采用多层结构,加工困难[3]。对微带天线组阵时,馈电网络一般有并联和串联两种方式。并联馈电阵列的阻抗带宽较宽,与单元的带宽相当;但是,馈电网络所占空间大,不利于实现多功能共口径天线设计[4]。文献[5]中作者在改进型功分器的基础上,设计了24GHz并联馈电的2´8阵列的接收天线,经过仿真得到带宽3.2%,增益17.5dBi较低,馈线较长、损耗大使得馈电效率降低。串联馈电馈线短、损耗小,简单的馈线布局对共口径天线设计非常有利;但是在组成长的驻波阵列时,带宽很窄[6]。文献[7]以串联馈电方式对角馈贴片进行研究,设计出12´12角馈天线阵列,带宽仅为1.9%。带宽特性良好的串联馈电网络对于设计高增益、多功能共口径微带天线阵列具有重要的意义。文献[8]提出一种串联邻近耦合馈电的驻波微带阵列,获得了良好的频带滤波特性。邻近耦合馈电的宽带优势在构建宽带的串联馈电微带天线阵列的研究值得关注。本文首先研究一种单层基片结构的微带线邻近耦合馈电的贴片单元,对其等效电路进行建模,指出天线单元等效于对微带线的串联辐射阻抗,其大小可通过改变耦合缝隙的尺寸进行调节。基于上述模型,设计并加工出中心频率在35GHz的1´16低副瓣微带线阵,天线带宽为4.3%,增益达到17.3dBi,副瓣电平-17.6dB。测试结果与仿真结果相符。在上述馈电方式中引入U型谐振器及馈电缝隙,提出一种双层结构的串联邻近耦合馈电的双频正交极化天线阵列,中心频率分别为4.5GHz和5.0GHz,频带内带宽分别为5.0%和7.8%,隔离良好,中心频率处增益为7.6dBi和8.2dBi。两种设计均为串联馈电,具有良好带宽特性,在实现高增益以及多功能共口径的微带阵列天线时具有独特的优势。2摇单元设计2.1摇天线结构本文设计的新型串馈微带天线阵列的单元如图1(a)所示。单元由一段开路线和微带贴片组成,介质板选用h=0.254mm的RogersRT/duroid5880(着r=2.2,tan啄=0.0009)。微带线上由于开路形成驻波,通过缝隙耦合给贴片馈电。为了控制耦合强度,将贴片等分为上下两部分。观察微带线上电流分布,调整贴片位置使得其分布在电流同相位置,设置贴片初始长度a为0.4姿g,b为0.5姿g,馈线宽度wf为0.3mm。图1摇贴片单元结构及等效电路如图1(a)所示,不同频率的电流经过开路微带线,其波腹点对应的位置不同。中心频率处,贴片中心对应电流的最大位置,组阵时,阵元同相工作,边射方向的辐射场因叠加而增强;而对于带外频率,贴片上产生的耦合电流不同相,特定的频率上贴片间的电流甚至反相,辐射受到抑制。这种馈电方式不但结构简单,组阵设计时没有庞大复杂的馈电网络,还具有一定的滤波特性,边沿选择性好[8]。2.2摇单元等效网络对于一段终端开路的传输线,其沿线阻抗为Zin(z)=-jZ0cot茁z。(1)式中:茁=2仔/姿。可知,终端开路线上的输入阻抗随z按余切函数规律变化,可以根据余切函数在各坐标轴上的零、极点特性和在各象限的正、负极性直观判断相应长度短截线的电路特性[9]。本文设计的单元中心距离开路线终端为3姿g/4,对应馈线阻抗为短路,可以等效为串联谐振。该天线由一段开路微带线上的电流经缝隙耦合馈电,根据图1,贴片中心位于电流最大处,磁场分布达到最大,形成磁耦合,对应到等效电路上表现为电感。邻近缝隙等效为串联电容。该·833·(b)所示。2.3摇单元阻抗分析由于单元可以等效为一个串联阻抗,采用双端口网络的方法分析其阻抗特性。利用设置Waveport和De-embed的技术,调节计算S参数时的参考面,去掉馈线影响。与文献[10]类似,可以推导出,用S11表示贴片中心处归一化阻抗为ZaZ0=2S111-S11。(2)调节贴片位置,使得其位于馈线电流同相部分以激励贴片。调节贴片a和b,观察归一化阻抗图使得贴片谐振在频率35GHz,经过HFSS仿真优化,确定a=2.68mm,b=3.4mm。改变两贴片之间的间距dt以获得好的阻抗匹配,分析不同dt下的归一化阻抗大小如图2所示。当缝隙大小dt增大,归一化阻抗减小,即当辐射贴片距离馈线越远时,耦合的能量越小。单元的阻抗特性分析,对于组阵设计低副瓣阵列天线具有重要意义。图2摇不同间距dt下的归一化阻抗3摇低副瓣阵列设计3.1摇阵列结构及原理本节设计出1´16的串馈宽带低副瓣微带天线阵列,结构包括一段开路微带传输线和16个贴片,传输线上的电流经缝隙邻近耦合馈电到贴片。截选出4元贴片结构以及中心频率35GHz处,开路传输线电流形成驻波如图3所示。由于馈线不同位置的电流分布不同,而贴片又是由馈线耦合激励的,当贴片位于馈线的不同位置时,其电流分布也不同,即馈线上的电流直接影响贴片电流分布。本文调节阵元间距为姿g使得阵元之间同相辐射以获得边射方向的高增益。图3摇等幅阵列的结构及馈线上的电流分布在确定单元长宽a和b的基础上,调节l0、d和l4控制贴片的耦合区域使得贴片中心位于电流波腹点且阵元得以被馈线上的电流同相激励,调节dt改变天线的辐射电阻以获得良好的阻抗匹配。对于16元阵列,经过HFSS仿真,最终优化的参数l0=1.9mm,d=3.7mm,l4=3.1mm,dt=0.8mm。3.2摇阵列低副瓣设计为了实现低副瓣特性,运用泰勒分布控制阵元电流大小[11],根据2.3节有关单元阻抗特性的分析,调整每个贴片与馈线的缝隙大小dt改变阻抗从而改变耦合到贴片上的功率。本节设计一个由16个阵元组成的串联谐振式驻波阵,采用泰勒电流分布,按照副瓣电平20dB,等副瓣数軈n=2进行设计,前8个阵元的电平分布an以及贴片中心归一化阻抗大小Rn如表1所示,其中后8个与前8个阵元对称分布。表1摇阵元电流分布及归一化阻抗大小nanRn10.520.02820.560.03230.630.04040.710.05250.810.06760.900.08270.960.09581.000.103在等幅16元阵的基础上,即保持l0、d和l4参数优化的结果,根据单元与微带线缝隙大小dt与归一化阻抗的对应关系,调节每个阵元与馈线的间距改变其阻抗大小使得满足上述泰勒分布,实物加工如图4所示。图4摇35GHz1´16天线阵列实物·933·第59卷吴跃敏,汪敏,李翌璇,等:串联邻近耦合馈电微带天线阵列的设计第3期按照泰勒分布,改变每个阵元与缝隙的间距dt,经过HFSS仿真优化,最后确定一侧