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标题:
微带行波串馈宽带频扫天线
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作者:
admin
时间:
2019-9-27 15:10
标题:
微带行波串馈宽带频扫天线
5 E5 f; \& c w# G' D
' B, H2 f# S2 U! r2 Y8 k/ o8 Z
图
1
矩形贴片谐振单元
! b$ @) t/ ~. r5 P8 }. J0 O; d
5 E6 F# N$ P, J
2.1
天线宽频带设计——馈线宽度
W_feed
和贴片宽度
W_patch
1 ]) _& F& a2 D$ l
8 g. O0 c4 B* Z" r7 A8 p
& | V$ S5 W4 D! h$ h. n0 z; O
# }( \3 H( k: B/ W; ]9 Y
+ z% E; R2 a9 R4 {; K% E/ y6 Z5 _ a
: w$ } Y+ ~2 d2 W8 l) H# M1 q. L! M
天线馈线宽度和贴片宽度比
W_Ratio
(=
W_feed
/
W_patch
)
控制着馈线与贴片之间的耦合度。每个贴片单元可以看成是一个包含输入端和输出端的二端口网络，端口阻抗由带线的特征阻抗决定。增大馈线宽度和贴片宽度比
W_Ratio
，可以减小该谐振单元的
Q
值，从而增大天线带宽
[3]
。但是天线辐射效率几乎与贴片宽度成正比，增大馈线宽度和贴片宽度比
W_Ratio
，贴片宽度将相对减小，从而天线辐射效率也将随之减小。这样就需要对天线带宽与天线辐射效率之间有个权衡，来确定馈线宽度和贴片宽度比
W_Ratio
。
9 R9 M- w; Y1 w6 G$ I
0 p0 j0 f7 k- l; x$ u( z
为了解决天线带宽和天线辐射效率之间的矛盾，本文采用了一种馈线宽度和贴片宽度比
W_Ratio
渐变的结构，如图
2
所示。多个
W_Ratio
逐渐减小的贴片单元串联级联在一起，构成贴片天线阵列。在靠近天线输入端，馈线宽度和贴片宽度比
W_Ratio
较大，有利于实现宽带匹配，展宽天线带宽。在靠近天线终端，馈线宽度和贴片宽度比
W_Ratio
较小，贴片宽度相对较大，有利于提高天线辐射效率。
! m; P& }% W( O
. P \: m6 `$ @4 R. w
, \, _9 ^: f9 |& E( _+ I
3 E" ^. s' }# G1 Z
2.3
天线仿真结果
* V( {7 r" g" [/ Z
9 n4 U* u! A$ Q$ I7 _" k
/ Y- |- K8 c8 M8 Q; g- t" y3 }! |
( H- e0 d% D. E2 j W' L5 k
. ]0 ~6 A* V k. z
( ~9 [2 R, [% k4 e
本文利用
HFSS
软件对该阵列天线进行三维电磁仿真计算。基片采用
Taconic
公司的
RF35A2
介质基片，介电常数
3.5
，厚度
0.508mm
。经过优化设计
[4][5],
阵列天线三维增益方向图仿真结果如图
3
所示，
E
面
(yoz
面
)
方向图仿真结果如图
4
所示。
+ Z" e# }4 [) s0 A) R
<span style="font-size: 16px;"><span style="font-family: 宋体;">
- i% I& o+ d; ]% S8 T& A
& x5 m! M* c6 x$ N1 L6 j: ?
图
4
天线
E
面
(yoz
面
)
方向图仿真结果
: W# G2 Y7 n* g0 C, _" }+ Q
; i: q5 b/ x! }4 \3 \, o
在频率从
20.0GHz
变化到
25.0GHz
时，主波束指向角从
-40.2deg
变化到
-1.3deg
，天线增益在15dB左右。
+ L' ~" @& O+ d
- W' ~# [) B7 ^
3
天线测试
! m$ P. y" C" `
' k2 \0 y' w- s3 ?2 S* V w2 l
7 I: S* }+ j* U7 ? L' k) R* x
1 A/ j/ }5 y9 b: _5 S' s" x0 i
' X4 c% X: s) z! l5 a
1 R1 B/ n, z; F/ e
3.1
测试环境
' k1 S' q3 l0 w3 r* `
1 U. O+ C% B* `; Q+ M2 b
5 K- U3 S. P9 B) h
5 o+ W E8 w% `& y
信号源
Agilent E8257D
激励矩形喇叭天线
HD-220HA
提供发射信号，将待测天线做为接收天线安装在暗室转台上，待测天线接频谱仪
Agilent E4447A
测量出接收信号功率电平大小，水平转动转台
180
度，绘制出待测天线功率电平方向图。
6 s1 V9 {5 R- c" f8 f- \
1 p! `6 i2 r6 d; o- ]
0 k: w ~. b# c* K9 |
3.2
天线
E
面方向图测试
9 t6 ^! p* Q, r0 @
9 D/ t2 l: _* @2 R/ c0 v) i' U; J7 W
6 {5 g) j9 o6 ^! Q! W
5 y5 C% b# O6 R2 G+ Z
将待测天线
E
面方向平行于水平面方向安装在暗室转台上
(
如图
5
所示
)
，转台从
-90
度转动到
+90
度，选择若干频点测试出天线
E
面方向图
(
如图
6
所示
)
。
5 [$ [) B, c0 }
在频率
22GHz
、
23GHz
、
24GHz
、
25GHz
时，天线主波束方向均偏向馈电端，天线
E
面主波束方向偏离天线法线方向分别为
-26.7deg
、
-18.8deg
、
-11.5deg
、
-5.9deg
；
E
面半功率波束宽度分别为
8.1deg
、
7.1deg
、
6.6deg
、
7.0deg
；旁瓣抑制
15dB
。
7 o+ b+ r2 _! A7 ~2 _8 H* G) N6 J9 a
( V U/ S# o& F- _" y0 H6 Y- V a% U
7 d/ d! y. s* [* d2 g
. b1 I$ e# _$ Y( J F
图
6
天线
E
面方向图测试结果
" Y. M0 C. s: Z& `# l: C. G; W
, M' |% D7 O5 F% `3 c
3.3
天线
H
面方向图测试
- j8 @8 B) v, @8 Q2 b& \( t
. W4 e9 B0 Q% _5 `/ Q) }- b3 n3 \
9 `3 d7 K$ p" M5 A0 ]
: L3 ]6 `. E+ V0 V5 p
5 |* F; w# A7 t8 s, e
' f; b9 \% P" L* N3 B- v- m% F$ P
在天线
E
面方向图测试完毕后，即可确定主波束偏角。在
H
面方向图测试前，调整待测天线俯仰角，使其最大波束指向对准喇叭天线。
24GHz
时天线主波束方向偏向馈电端
11.5deg
，调整天线仰角，使天线法线方向与水平面方向夹角为
11.5deg
，如图
7
所示，测试出此时
H
面方向图如图
8
所示。
8 u/ ]% r2 i8 x3 D
3 e. P$ M" L( D( }' N) E4 K
4 [2 {* K1 B/ k9 G& F$ G, Y
3 ^% X" G; _( T1 w
图
8
天线
H
面方向图测试结果
(24G)
/ j7 Q; m: T/ S2 D( ^, i
, i, y- G: W; e( s# ^
3.4
天线输入回波损耗测试
. t5 S, Q: p y8 w
}: R# [% S0 B. c+ t' N2 |8 e
6 S. g* e) C. I( ?/ t0 u
" e3 Z; [4 N6 C9 K8 U- _$ A
采用矢量网络分析仪
Agilent E8363C
测量出天线输入回波损耗
S11
如图
9
所示。
4 C$ P1 G+ O0 k7 z: C3 O* O& o
5 C' [5 w' U1 Y4 k% I
* T4 p& t3 M2 R/ v; a; W
, y b4 i; r6 D2 R4 m ~3 K4 T
9 @8 t0 p+ h* X# V
图
9
天线输入回波损耗测试结果
% A( R% o5 s# K7 P. d" h9 R
, R; i' x/ A2 `; J9 c
在
22.0~25.0GHz
频段内，天线输入回波损耗在
10~22dB
之间，典型值
14dB
。
4 l/ G0 P0 n6 V* @/ _2 e
, v# G+ P& M4 M* v: J3 q
4
结论
- K- L3 b+ r& t5 N; \9 O4 s
6 A1 ^# S$ l- b! o# N1 @
6 y6 E4 Q* H' L% B- O
. {1 c% F2 Y+ a3 [
+ r! u# d4 J2 ^0 Y6 ^$ H; M5 g
- T( t! T. j% P4 M) X: ]" @# B/ v
本文采用平面微带结构，设计并制作了一种行波串馈式的宽带频扫天线。在
22.0~25.0GHz
这相对带宽
13%
的频段内，主波束偏角从
-26.7deg
变化到
-5.9deg
，输入回波损耗大于
10dB
，旁瓣抑制
15dB
。天线
E
面半功率波束宽度
7deg
，
H
面半功率波束宽度
67deg
。该结构阵列天线体积小，重量轻，频带宽，馈电简单，能和有源器件、电路集成为统一的组件，适合大规模生产，在微波和毫米波领域具有广阔的应用前景。
! B9 g! l& n+ p p$ _1 \0 ]" k# M& r
% X$ h4 C2 |8 F& d$ i2 z% N. J
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4 Y/ B0 y6 s6 g3 @' b" \; e1 A1 |% K
1.
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I' z0 @5 w' O' E
2.
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- i% I& o+ d; ]% S8 T& A
4 [2 {* K1 B/ k9 G& F$ G, Y