微带行波串馈宽带频扫天线

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                     图1  矩形贴片谐振单元
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2.1  天线宽频带设计——馈线宽度W_feed和贴片宽度W_patch
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6 N5 j# n/ u2 ^1 ]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。

" {' |1 `1 X- m5 x0 A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。

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2.3  天线仿真结果

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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。
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: ]; O( I7 ~* i& p/ |  G5 n           图4  天线E面(yoz面)方向图仿真结果

1 e3 a0 F4 l! Q/ s. K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。

6 g; e% Q# _* V* I3 S3  天线测试


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3.1  测试环境
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       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。
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( F" c" Z. l  x/ ^, j3.2  天线E面方向图测试
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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)。
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。
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. G, O! y! A+ t3 D4 ~+ u: z# V                   图6  天线E面方向图测试结果
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3.3  天线H面方向图测试

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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。
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1 P5 ]; m: q1 Y/ S  b             图8  天线H面方向图测试结果(24G)
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3.4  天线输入回波损耗测试
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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。
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- L, J7 F7 @4 F6 @# q                 图9  天线输入回波损耗测试结果
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! N4 Y' E+ m; B, }1 n6 R) v) [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。
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6 V& n4 ~& d9 E8 ?0 N7 J  E4  结论

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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。
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