一种毫米波微带双频天线阵的设计

李永琪，蔡强明，曹 鑫，朱玉玉，张 良

（西南科技大学，四川 绵阳 621000）

现代通信发展迅速，各种通信所需的电子组件也迅速向高可靠性、短距离、小尺寸、轻量、薄型、高速和多极化方向发展，在功能方面，迫切需要一种具有良好电磁兼容性、抗电子干扰、具备隐身和反隐身特性、具备在多个频点工作的能力以及较小雷达横截面的高性能阵列天线。现代通信系统的飞速发展对相控阵天线的机动性提出了严格的要求，传统反射型表面天线的作用受到关键缺陷的限制。目前，微带天线已经被大规模应用于无线电通信、医用微波辐射计、雷达以及卫星通信等方面。

与微波天线相比，微带天线的优势在于：小巧、具有多种形式的电性能、各种极化均易获得、能够作为其中一个器件来配置有源电路、可以实现天线同时存在两个或多个谐振点、简化整体生产和调试、降低成本。许多天线的开发和应用中都非常关注微带天线，因此，双频和多频也是微带天线的重要发展方向。

微带天线可以利用多模单片法、缝隙加载法[1]、多片法[2]和双馈电[3]，使天线工作在双频或多频模式下。在综合考虑增益和相对带宽的前提下，本项目设计了一个双频微带天线4×1的阵列，采用电抗加载方法，根据传统的矩形微带天线设计公式确定普通微带天线的结构及参数，适当改变部分微带传输线和1/4波长阻抗匹配传输线的宽度，以达到双频的频带宽度和两频率点之间的间隔。该方法的优点是天线结构相对简单，天线各方面的性能指标也比较好，使得天线在实际工程中有一定的应用价值。

1 双频天线阵元的原理与设计

要使天线工作在双频，可以采用电抗加载的方法。电抗加载实现双频天线的一个重要原理是空腔模型的相关理论[3]，对于一个有着较薄介质基片的微带天线，假设在谐振频率附近，其输入阻抗为Zin，则：

在式（1）中，Xr是该模并联谐振电路的“谐振电抗”，Xf是其他模的组合在一起产生的效应。Xr+Xf=0是其谐振频率的特征方程。当电抗XL作用于微带天线时，其频率特征方程就变为Xr+Xf+XL=0。由此时的频率特征方程可以看出，通过调节XL的值可以得到两个零点，微带天线在双频工作[4]。

微带贴片单元如图1（a）所示，天线阵元的S11（反射系数）如图1（b）所示。本贴片单元采用50 Ω的馈线与其进行匹配。天线贴片长度和宽度可以通过下列公式得到：

本项目采用的介质基板是美国Arlon公司生产的Arlon Diclad880，其εr=2.2，厚度h=0.254 mm，tanδ=0.000 9。把有效介电常数定义为εe，经验计算公式为：

2 双频天线阵的设计

假定微带线的特性阻抗为Zo，天线边缘阻抗为ZL，1/4波长阻抗变换器的特性阻抗为Zl。根据理论知识，阻抗匹配的条件为：

计算得知，微带馈电线L1段的特性阻抗为Zo=50 Ω，L3段微带馈电的特性阻抗应为ZL=50 Ω，由两端L2都是并联关系得L2段1/4波长阻抗变换器的阻抗应为Zl=70.7 Ω。根据实际模型的需要和Ansoft HFSS软件仿真，确定所有线的长度和宽度。

天线的谐振频率点在32 GHz和35.36 GHz左右，两个谐振频率都处于毫米波频段，其中，谐振点32 GHz所对应的天线的增益为12.37 dB，对应的阻抗带宽为760 MHz；谐振点为35.36 GHz所对应的天线增益为10.72 dB，对应的阻抗带宽为740 MHz。

由上述数据分析可知，天线的增益是比较高的，频带也是比较宽的，在谐振点32 GHz和35.36 GHz时阻抗带宽分别达到了2.32%和2.09%[4]。平面双频阵列天线如图2所示，天线阵反射系数结果如图3所示，天线在不同频率时在xz和yz截面上的增益方向如图4所示。

图1 微带贴片单元模型

图2 平面双频阵列天线示意

图3 天线阵反射系数结果

图4 天线在不同频率时在xz和yz截面上的增益方向

3 结语

文章所述针对毫米波频段，设计了一个4×1的阵列天线，该天线由3个T型功分器组成，4个矩形天线阵元采用侧馈的方式馈电，天线贴片的中间是馈电点。根据电抗加载的原理，通过调节馈线的宽度和1/4波长阻抗变换器的宽度，使天线有两个谐振点，分别为32 GHz和35.36 GHz，两个谐振频率都位于毫米波频段，两个谐振点处的带宽（VSWR≤2）分别为760 MHz和740 MHz，和其他同种类型的毫米波天线阵列相比，带宽是比较宽的。通过多次优化仿真，发现适当调整馈线的阻抗可以控制两个频率之间的间隔，最后选择合适的参数，从而使天线阵工作在双频，这一特点在大型天线阵的设计中有重要的参考价值，为实现毫米波双频天线阵提供了新的可行方案。