X波段天线阵列的设计

五邑大学信息工程学院 李继岚江门出入境检验检疫局 王春利五邑大学信息工程学院 张 昕

X波段天线阵列的设计

五邑大学信息工程学院 李继岚江门出入境检验检疫局 王春利五邑大学信息工程学院 张 昕

本文在准八木微带天线的基础上进行改进，设计了一种工作在X波段的单元天线。在准八木微带天线上增加两个引向器、展宽激励阵子和引向阵子宽度设计单元天线，并将单元天线进行组阵设计以提高天线的带宽及增益。利用电磁仿真软件HFSS对单元天线和阵列天线进行仿真分析，结果表明：阵列天线带宽比单元天线带宽展宽了20%，增益提高了1．5dB。该单元天线具有良好的应用前景，而其较小的尺寸便于进行天线的组阵设计。

准八木天线；微带天线；阵列天线

1 引言

随着无线通信技术的日益发展，微带天线因重量轻、 体型小和制作简单等优点越来越表现出很强的应用价值[1]。但微带天线带宽较窄，如何在提高带宽的同时保证天线的增益成为近年来的研究热点。

文献[2]中采用 Vivaldi 天线做为阵列单元，设计了一种 X 波段宽带宽角扫描相控阵雷达系统的小型阵列天线。文献[3]以八木天线为单元天线进行组阵，设计了一个两单元天线阵。文献[4]充分利用准八木天线的空间，增加两个寄生贴片和振子耦合枝节以提高天线的相对带宽，在天线背面加入一组引向振子以提高天线的增益。文献[5]将微带贴片天线进行组阵设计以增强带宽和增益。文献[6]提出并验证了引向器的大小和位置是影响天线单元增益的主要因素。文献[7]证实了准八木天线双臂振子之间距离对天线插入损耗的影响。

本文综合以上文献对准八木微带天线进行改进设计，通过增加引向器以提高天线的增益，展宽双臂振子的宽度以提高带宽,经优化分析设计出一种具有宽带特性的天线单元。利用1×2功分器进行组阵设计补充单元天线在增益和带宽上的不足。

2 天线设计

2.1 单元天线的设计

本文设计单元天线如图1所示，选用介电常数为10.2、厚度为0.508mm、损耗正切角为0.023的Rogers RT-duroid 6100介质板，尺寸为，中心频率10GHz，其等效相对介电常数εe为[4]：

电磁波在介质中的工作波长为：

其中，c为自由空间光速，f0为天线的中心频率，εr为天线的相对介电常数，h为介质板的厚度，w为微带线宽度。为了保证较高的辐射效率，理论上阵子的实用宽度为：

2.2 阵列天线的设计

阵列天线重点是功分器的设计，本文设计一种一分二功分器，将输入端口的信号等幅同相的馈送到各个单元天线。a为输入端传输线，b为四分之一波长阻抗变换传输线，c、e为一分二输出端传输线的一个端口。如果输入输出端口阻抗，则。根据微带线计算软件TXline算出功分器的各个参数值为：

图1 单元天线结构图

图2 阵列天线结构图

3 仿真分析

经优化仿真后单元天线与阵列天线性能对比如表1所示。二者的S11参数、电压驻波比（VSWR）和3D增益的对比图分别如图3、图4、图5和图6所示。从图3中可以看出单元天线回波损耗最低点为-24dB，谐振频率为10GHz，带宽为32%（）；阵列天线回波损耗最低点为-40dB，谐振频率为9.8GHz，带宽为50%；阵列天线的谐振频率相对于单元天线有所偏移，但从回波损耗看出阵列天线的阻抗匹配特性要优于单元天线。从图4中可以看出VSWR≤ 2时，单元天线带宽为33.7%；阵列天线带宽为50%。从图3和4中可以看出阵列天线的带宽比单元天线展宽了20%。从图5中可以看出单元天线的最大增益为3.57dB；从图6中可以看出阵列天线的最大增益为5.03dB；增益提高了1.5dB。

图3天线S11参数曲线图

图4 天线VSWR曲线图

图5 单元天线3D增益

图6 阵列天线3D增益

表1 单元天线与阵列天线性能对比

4 结论

本文通过实验仿真证实了在传统的微带准八木天线基础上增加两个引向器和展宽阵子的方式可以提高天线的带宽和增益。该单元天线组阵后性能优于单元天线。但其谐振频率有一定的偏移，在以后的工作中可以增加阵元数进行优化仿真以取得更优的增益和带宽。该阵列和单元天线均具有良好的应用前景。

[1]佘川飞,李彪．一种具有宽带宽角特性的改进型准八木天线[J]．科学与电子信息学报,2011,09(1):39-43．

[2]郑贵,王建,司海峰等．X波段宽带宽角扫描相控阵天线的设计[J]．现代雷达,2015,37(10):46-50．

[3]黄朝晖,姜兴．超宽带准八木天线阵列设计[J]．桂林电子科技大学学报,2010,30(2):97-100．

[4]倪国旗,张涛,倪围,等．一种微带准八木天线的改进设计[J]．微波学报,2013,29(1):51-54．

[5]Sharma P,Gupta S．Bandwidth and gain enhancement in microstrip antenna array for 8GHz frequency applications[C]．Students Conference on Engineering and Systems,2014:1-6．

[6]王鹏,陈文华,冯正和．准八木型宽带高增益微带天线的设计[C]．全国天线年会,2009．

[7]郭俊,王锋,金谋平．准八木型宽带微带天线单元的设计[J]．雷达科学与技术,2002(2):25-27．

[8]陈明,朱先成．基于八木天线的双频带微带天线[J]．西安邮电大学学报,2016,21(1):72-75．

李继岚（1993—），女，河南人，五邑大学信息工程学院硕士研究生，研究方向为天线理论与技术。

2014年广东省教育厅特色创新类项目（2014KTSCX134）。

王春利（1982—），男，黑龙江人，江门出入境检验检疫局高级工程师，研究方向为仪器分析。

张昕（1965—），男，黑龙江哈尔滨人，五邑大学信息工程学院教授，研究方向为天线理论与技术。