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图1 矩形贴片谐振单元
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/ Y$ [/ p _' h, | g+ Q2.1 天线宽频带设计——馈线宽度W_feed和贴片宽度W_patch4 p7 }6 Z5 D; ~) |6 b6 U# d
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' l" i0 }, S4 i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。3 X( H7 a6 a: l( {) Y7 r
5 y0 V" S: A3 o' g W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。2 Q, U3 V6 P, N( d) ?
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" G+ x e% U+ ?& ?/ E% o( Y2.3 天线仿真结果
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( |. b* F( I+ T6 }, W& E# o* w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。3 w( v& {8 ^& A" Q2 _1 U
<span style="font-size: 16px;"><span style="font-family: 宋体;">![]()
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图4 天线E面(yoz面)方向图仿真结果) I* _4 j4 H2 B2 A1 \3 Y) h1 a
* T/ g+ ^0 y1 T: 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。
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7 j8 B E8 D* T* S; W9 x1 c3 天线测试
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3.1 测试环境7 V$ T, n% { j
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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。$ _) N+ W, s- V2 s0 j7 A
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3.2 天线E面方向图测试: I, s( K1 ~3 _; @- I Y: c
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7 Q {* M+ u8 _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)。
7 G$ S7 B" r: Z& }0 o$ N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。, `9 Y$ T% N/ }4 k0 f
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( h3 i3 ~$ C9 I1 h9 P 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7 Q5 l3 O) G5 c, T! c
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( k! j2 A/ j9 g! ^1 d( c- J6 ?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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0 \* U# ]2 ~8 x 图8 天线H面方向图测试结果(24G)& C6 A% v ^" i+ R& D3 F
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3.4 天线输入回波损耗测试
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' O5 X* \# P4 |9 y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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$ {8 n, A% Z/ |" i/ p 图9 天线输入回波损耗测试结果5 h; _6 d; m, [$ G9 X: u, p
4 h4 o' P8 |7 v- V% j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。; q' T5 Z) z+ w, Y# c: |
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4 结论
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8 N( |$ v! Q. k 1 {& \# Q* M/ R3 ?1 f. ~! V8 f
& w: R: f- g, e" s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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发表于 2019-9-27 15:10
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