基于菱形单元的宽带微带栅格阵列天线设计

郝 刚，刘宇峰，陈新伟，韩国瑞

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

0 引 言

栅格天线阵列(GAA)是一种具有多个矩形导线环或者微带线环的平面阵列天线[1]，它在 1964年 由Kraus 作为频率扫描天线提出[2]，并由Conti等人发展为微带版本的驻波天线[3].通常，栅格的短边和长边分别约为工作频率下的0.5λ和λ，电流在短边呈同相分布，形成主辐射；与短边垂直的长边电流在中点处反相，形成交叉辐射.微带栅格阵列天线主要具有体积小、易制造、交叉极化可控、高增益、馈电简单等优点[4,5]，可作为通信天线，如室外网桥信号的点对点传输，隧道、矿井等信号覆盖较差场景下的移动通信，以及附着在飞机或卫星等载体表面做共形天线；还可应用在医学领域，利用栅格阵列天线的高定向、高增益做微波热疗.然而受制于微带线元的窄带特性，天线在谐振点附近的输入阻抗对频率变化很敏感，这就使得原始结构下的带宽较窄，无法满足宽带通信的要求[6]，例如，在Assimonis等人的研究工作中[7]，7个辐射单元的原型栅格阵列的仿真阻抗带宽不足3%；在陈星等人的研究工作中[8]，13个辐射单元的微带栅格阵列的阻抗带宽为4.5%.因此设计一个具有宽带特性的GAA是一项很有意义的工作.近年来，国内外学者提出了一些提高GAA带宽的方法.Chen等人[9]使用阶梯型的微带线连接源端口和临近节点，改善了多单元阵列天线的阻抗匹配，最大带宽为2.65%；Assimonis等人[7]研究了栅格阵列天线在阻抗带宽和最大增益方面的影响因素，通过加载接地电阻把天线的带宽从2.19% 提升到了5.32%；Khan等人[10]把天线设计为多层结构，馈电网络和天线分开设计，便于端口和天线输入端的阻抗匹配，仿真带宽为11.5%；Arnieri等人[11]采用长度可变的单元形成多谐振的辐射结构，利用多个谐振点展宽带宽，仿真的相对带宽为11.7%.陈星等人[12]设计了一种椭圆辐射单元的微带栅格阵列天线，椭圆贴片增加了瞬时电流路径，经过 110h 的算法优化后有效带宽达到12.7%.微带栅格阵列天线的阻抗带宽通常不会超过相对带宽的几个百分点[13], 因此带宽超过10% 即属于宽带.

本文采用菱形贴片作为辐射单元，调整了阵列上下边的单元宽度，从而改善了天线的频率响应特性；采用探入式同轴探针馈电，增加阻抗带宽且不改变方向图特性.仿真分析结果表明，阵列天线的相对带宽(|S11|<-10 dB)达到了 13.0%，在工作频率2.45 GHz处有最大增益 15.4 dBi.

1 天线结构

图 1 为菱形微带栅格阵列天线的结构，深色区域为金属部分，浅色区域为介质基板，介质基板采用相对介电常数ε1=2.55，厚度h1=1 mm的聚四氟乙烯材料，介质基板和地平面之间填充了厚度为h2的空气间隙.天线的总尺寸为290×205×7.4 mm3.

栅格阵列由菱形微带贴片作为阵元，经过曲线传输线的连接构成.整个阵列共有4个栅格，每个栅格含有2个菱形辐射边和2条传输线.菱形单元的尺寸不完全一致，中心的3个菱形宽为sb，其余4个菱形宽为sc，所有菱形的长均为sa.菱形贴片作为主要辐射单元，它的瞬时电流相位基本相同，进而形成侧向辐射的主波束.位于x方向的传输线的长度分别为lt及2lt，峰值为A，宽度为wt，以穿过F点的曲线为例，它采用正弦分布，可由式(1)确定

y(x)=sin(0.44x)×(A-wt)/2，

(1)

式中：x∈[-lt,+lt].天线采用特性阻抗为50 Ω的探入式同轴线馈电，探入高度为h.同轴内导体穿过地板、空气间隙和介质层，连接到馈电点F上，外导体接地.

(a) 正视图

根据多层介质理论可知，两层介质的等效介电常数

(2)

式中：ε1为空气的相对介电常数，则微带栅格阵列天线的介质波长

(3)

式中：λ0为自由空间波长；c为自由空间的光速.

2 参数分析

线宽wt影响天线的交叉极化，wt越小交叉辐射也越小，但是wt太小会使阻抗和传输损耗迅速增大.一般确保wt使得传输线的特性阻抗在250 Ω以下，即

(4)

经过仿真分析后，确定wt=1.8 mm(0.02λg)，此时传输线的特性阻抗满足式(4).

介质基板和地平面之间填充空气可以降低天线的Q值，但增加天线高度会使同轴探针变长，输入阻抗中的感性分量增加，因此有必要对探针引入的感抗进行控制.图 2 对馈电探入的高度h进行了参数分析.h=0 mm即不进行控制时，天线在2.45 GHz 附近的带宽较窄；随着h的增大，阻抗匹配改善明显.可见，采用探入式的馈电方法有助于更好的阻抗匹配，增加带宽.经过参数分析后，确定h=3.2 mm.

图 2 探入不同高度下的仿真|S11|

为进一步改善天线在2.45 GHz附近的阻抗匹配，并降低旁瓣水平，对中心以外的4个菱形宽度sc进行缩减.图 3 为sc的变化对反射系数的影响.sc=44 mm，即所有菱形大小一致时，|S11|<-10 dB 的带宽较窄，且谐振点向低频偏移；随着sc的减小，带宽增加.经过参数分析后，确定sc=29 mm.

图 3 菱形不同宽度下的仿真|S11|

天线的谐振频率主要与栅格尺寸有关，根据文献[8]的工作，阵列天线的h2，sa，sb，lt和A可分别为0.05λg～ 0.08λg，0.4λg～ 0.7λg，0.2λg～ 0.4λg，0.3λg～ 0.8λg和0.06λg～ 0.12λg.同样经过栅格阵列天线参数分析后，确定h2=6.4 mm(0.05λg)；sa=78 mm(0.66λg)；sb=44 mm(0.36λg)；lt=69 mm(0.58λg)；A=10.8 mm(0.09λg)时微带栅格阵列天线栅格阵列在2.45 GHz有较好的谐振.

3 天线性能

图 4 为该菱形栅格阵列天线的|S11|参数曲线.符合|S11|<-10 dB的范围是2.30 GHz～2.62 GHz，相对带宽达到13.0%，天线在2.45 GHz 频点处的匹配良好，反射系数的幅值低于-20 dB.

图 4 天线的仿真|S11|曲线

图5为天线的增益变化.在2.45 GHz处天线有最大增益15.4 dBi，这对于7个辐射单元的栅格阵列天线是一个高值，相比文献[12]的13.7 dBi 和文献[14]中23个辐射单元的14.4 dBi.3 dB增益下降带宽为14.3% (2.28 GHz～2.63 GHz)，与阻抗带宽几乎重合.

图 5 天线的增益变化

图 6 为天线在2.45 GHz处的归一化辐射方向图.天线在侧向上辐射出一个定向波束，H面和E面的HPBW分别为37.5°和23.6°，第一旁瓣水平均低于-15.6 dB，且交叉极化很小，主交叉极化相差25 dB以上.H面方向图完全对称，主波束指向为天线面的法线；由于馈电位置偏移天线几何中心，E面方向图有2°的波束倾斜.

(a) H面

微带栅格阵列天线的旁瓣主要受远离馈电点的非同步电流影响，此外还与互耦、衍射效应、单元匹配和馈电网络隔离误差等因素有关.该天线中由于基板是电薄的，表面波很弱，衍射效应较小，因此主要受到弯曲的传输线自身耦合影响.设计天线的边缘菱形宽度变窄，除了利于阻抗匹配，还可减小边缘场强，从而更集中于中心的辐射单元，形成高增益、低旁瓣的侧面波束.表 1 列出了本文及部分文献中天线的工作带宽.

表 1 栅格阵列天线的工作带宽

4 结 论

本文设计了一个2.45 GHz的菱形辐射单元的微带栅格阵列天线.传统栅格的短边被菱形结构取代，栅格的长边采用正弦曲线，有效减小辐射口径.采用探入式同轴馈电，减小了阵列边缘的菱形宽度，提供更好的阻抗带宽和方向图特性.天线的总尺寸为290×205×7.4 mm3.仿真结果显示，天线的阻抗带宽(|S11|<-10 dB)为13.0% (2.30 GHz～2.62 GHz)，在工作频率2.45 GHz处，|S11|<-20 dB，且有最大增益15.4 dBi，天线的交叉极化低于-25 dB，第一旁瓣低于-15.6 dB.证明了本文提出的菱形贴片结构作为栅格阵列辐射单元的可行性，为宽带栅格阵列的设计提供了新的思路.