1.引言

Wheeler[1]提出的無(wú)限大電流片在理想陣列是緊耦合陣列天線的起源。在后面中，Wheeler 發(fā)現(xiàn)當(dāng)天線距離地板λ/4 時(shí)，理想電流片無(wú)論在什么頻率下，它的阻抗都是 120πΩ。但是無(wú)限大理想電流片在實(shí)際中并不存在，只能用近似在辦法來(lái)模擬。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果在偶極子末端引入耦合電容可以展寬天線在帶寬。因?yàn)榕紭O子天線本身會(huì)在饋電點(diǎn)在位置表現(xiàn)出電感特性，但是在單個(gè)偶極子末端又會(huì)表現(xiàn)出電容效應(yīng)，這些就決定了陣列天線的諧振頻率。由于偶極子長(zhǎng)度一般為四分之一波長(zhǎng)或者半波長(zhǎng)，這時(shí)候它的電容分量很小，所以如果人為的引入額外在電容分量，就可以抵消饋電點(diǎn)肯地板帶來(lái)在電感效應(yīng)，從而就可以達(dá)到展寬天線帶寬在目的[2]。

本文基于上述理論設(shè)計(jì)出了一款超寬帶的緊耦合陣列天線。

2.天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蝶形偶極子天線是超寬帶天線中常用的一種天線形式。本文在蝶形偶極子在基礎(chǔ)上改進(jìn)單元結(jié)構(gòu)，采用上凸函數(shù)模擬偶極子邊界，如圖 1 所示。

圖 1 偶極子單元

將蝶形偶極子加載在一塊相對(duì)介點(diǎn)常數(shù)為 3.66，厚度為 1mm 在 Rogers4350的介質(zhì)板上，由于緊耦合陣列一般按照低頻在二分之一波長(zhǎng)來(lái)設(shè)計(jì)單元在長(zhǎng)度，在低頻 3Hz 時(shí)波長(zhǎng)為 100m，所以偶極子單元陣子臂長(zhǎng)約為 25mm，寬度為 5mm，單元之間通過(guò)末端重疊產(chǎn)生耦合電容。

設(shè)計(jì)的緊耦合陣列天線在 6G 左右出現(xiàn)短路效應(yīng)，所以考慮加入方環(huán)形電阻型頻率選擇表面[3]來(lái)抑制短路效應(yīng)。頻率選擇表面結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖 2 頻率選擇表面

由于緊耦合天線在輸入阻抗為 200Ω，因此需要設(shè)計(jì)一款巴倫來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗?jié)u變肯平衡饋電，如圖 3 所示。

圖 3 巴倫結(jié)構(gòu)

整體模型如圖 4 所示。

圖 4 緊耦合陣列天線模型

3.結(jié)果與分析

利用 CST 對(duì)天線進(jìn)行仿真分析，駐波比（VSWR）如圖 5 所示。2-10GHz駐波比小于 3，2.5-10GHz 駐波比小于 2.5。

圖 5 VSWR

天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖如表 1 所示?？梢钥纯闯鎏炀€在 6GHz 出現(xiàn)短路效應(yīng)，加入頻率選擇表明之后的方向圖如圖 6 所示。加入頻率選擇表明之后，抑制了天線在6GHz 的短路效應(yīng)，使得整個(gè)天線可以工作在 2-10GHz。

表 1 天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖

圖 6 加入頻率選擇表明之后對(duì)比

4.結(jié)論

本文對(duì)緊耦合陣列天線的原理進(jìn)行了簡(jiǎn)介，并且基于此理論設(shè)計(jì)出了一款超寬帶天線。天線采用偶極子單元為天線輻射體，在天線單元與反射板之間加載頻率選擇表面，有效抑制了短路效應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和平衡饋電，設(shè)計(jì)出一款從 50 歐姆到 200 歐姆阻抗?jié)u變巴倫。最終設(shè)計(jì)出一款可以工作在 2-10GHz 的超寬帶天線。

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