1. 引言

圓極化天線在無線通信，雷達(dá)等系統(tǒng)中受到廣泛應(yīng)用，因此被眾多研究者研究，為了解決常規(guī)單饋電貼片圓極化天線帶寬窄，增益低的問題，微帶圓極化天線陣列成為了一個(gè)合適的選擇。

最早通過旋轉(zhuǎn)天線單元組陣增大帶寬的是 Teshirogi 發(fā)表在 1985 年的文獻(xiàn)[1]，第二年，Huang使用此技術(shù)將線極化單元組成了可輻射圓極化波的陣列天線[2]，此人在文獻(xiàn)[3]中還提出了一種多達(dá)一百九十二單元的圓極化天線陣列，此陣列饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)精巧，峰值增益達(dá)到了 28dB，Hall則從理論的角度直接給出了此類陣列如何設(shè)計(jì)的計(jì)算公式[4]。 為了繼續(xù)提高陣列的性能，廣大研究者在饋電結(jié)果設(shè)計(jì)上做出了許多改進(jìn)，提出了多種新的饋電技術(shù)，包括 L 型探針結(jié)構(gòu)[9]，耦合饋電[5-8]等，又通過對(duì)功率分配器進(jìn)行改進(jìn)先后使用了威爾金森功率分配器[10-12]和分支線分配器來產(chǎn)生寬頻帶的等功率分配。

2. 天線結(jié)構(gòu)

折線型微帶圓極化陣列天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1-1 所示，陣列采用相對(duì)介電常數(shù)為εr=2.2的Rogers 5880 介質(zhì)板。介質(zhì)板厚度設(shè)定 2mm，天線陣列整體尺寸為 190×150×2mm，金屬貼片和地板厚度均設(shè)置為一盎司。圖中的相關(guān)參數(shù)標(biāo)注如下：L1=17.5mm，L2=22.5mm，L3=3.5mm，L4=20.0mm，L5=3mm，L6=46.3mm，L7=22.5mmL8=3.0mm，L9=3.0mm，L10=22.5mm，W0=40mm，W1=6.2mm，W2=1.8mm，W3=3.57mm，Wc=7mm。采用切角法實(shí)現(xiàn)圓極化，天線單元的結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示，W0 = 40mm，Wc = 7mm，Y1 = 1.5mm，Y2 = 0.4mm，X1 = 2.5mm?？紤]到功分器和矩形貼片側(cè)饋的特性阻抗，天線單元采用特征阻抗為100 歐姆的微帶線從單元邊緣中點(diǎn)處饋電。根據(jù)矩形貼片結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算公式，對(duì)此單元天線，帶入中心頻率 2.45GHz 和相對(duì)介電常數(shù)εr =2.2，計(jì)算可得矩形微帶的邊長(zhǎng)應(yīng)為 41mm。

圖 1. 折線型微帶天線陣列結(jié)構(gòu)示意圖

圖 2. 開槽切角單元天線

對(duì)未開縫切角的天線單元進(jìn)行仿真，步長(zhǎng)選擇為 1mm，當(dāng)單元天線的邊長(zhǎng)從 38mm 變化至42mm 時(shí)單元天線的|S11|參數(shù)曲線基本一致，中心諧振頻率從 2.31GHz 變化到 2.54GHz，|S11|最小值為-7dB 左右，邊長(zhǎng)為 40mm 在工作頻段中反射系數(shù)較小，因此選擇 40mm 為貼片的邊長(zhǎng)。

通過上述公式計(jì)算可知對(duì)應(yīng)最佳軸比的切角邊長(zhǎng)為 6.1mm，因此設(shè)置了從 5mm-10mm，間隔 1mm 的切角單元，仿真得到的反射系數(shù)說明隨著切角深度的加深，整個(gè)貼片輻射單元的中心諧振頻率由 2.34GHz 變化到 2.41GHz，貼片輻射單元的反射系數(shù)中心頻率降低，但整體偏移很小，從 5mm 變化至 10mm 其中心頻點(diǎn)只降低了不到 60MHz，可以認(rèn)為變化不大。軸比隨切角邊長(zhǎng)變化情況說明看到切角邊長(zhǎng)較小時(shí)最低軸比更低，但軸比帶寬很差。選擇 5-7mm 的切角深度較為合適。

陣列由四個(gè)單元天線構(gòu)成，天線單元為切角矩形貼片。設(shè)計(jì)的饋電網(wǎng)絡(luò)使得四個(gè)單元從右下角單元起，逆時(shí)針饋電相位依次滯后 90°，各單元的空間位置也是逆時(shí)針連續(xù)旋轉(zhuǎn) 90°分布的，整個(gè)陣列由中心處的 50 歐姆阻抗微帶線饋電，通過一個(gè) T 形結(jié)功分器分別向兩側(cè)的兩個(gè)單元天線等幅饋電，左側(cè)（右側(cè)）兩個(gè)單元間也分別使用兩個(gè) T 形結(jié)功分器實(shí)現(xiàn)等幅饋電，再通過設(shè)計(jì)微帶饋電線的長(zhǎng)度產(chǎn)生 90°的相位差，左側(cè)的兩個(gè)單元通過一個(gè)折線型的微帶延遲線與右側(cè)的單元產(chǎn)生 180°的相位差。通過以上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了順序旋轉(zhuǎn)相移饋電網(wǎng)絡(luò)。

圖 3. 折線型陣列仿真數(shù)據(jù)（εr=2.2）

選擇合適的參數(shù)進(jìn)行仿真后得到該折線型饋電網(wǎng)絡(luò)陣列天線的幾個(gè)重要參數(shù)如反射系數(shù)和軸比等如圖 1-8 所示，由圖 3.A 可見，在 2.38GHz-2.60GHz 頻段內(nèi)，該天線陣的|S11|參數(shù)均小于-10dB，在2.40-2.52GHz的設(shè)定工作頻段內(nèi)|S11|參數(shù)小于-12.5dB，在2.40GHz-2.45GHz頻段內(nèi)|S11|參數(shù)小于-15dB，說明該饋電結(jié)構(gòu)饋電性能良好。圖 3.B 展示了天線陣的最大增益仿真結(jié)果，由圖可知，在 2.26GHz-2.64GHz 頻段內(nèi)該天線陣最大增益均大于 10dBic，最大增益出現(xiàn)于 2.45GHz（工作頻段中心頻率處）為 12.34dBic。天線陣的最大輻射方向軸比如圖 3.C 所示，由圖可知，在 2.39GHz-2.52GHz 頻段內(nèi)天線陣軸比小于 5dB，2.4GHz-2.5GHz 的工作頻段內(nèi)最大軸比為2.68dB，證明該結(jié)構(gòu)的天線陣較好的滿足了圓極化輻射的要求。

3. 探針分析法

采用探針對(duì)仿真的結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，可以有力的證明陣列設(shè)計(jì)的合理性——即四個(gè)輻射單元的等功率分配和固定相位差，圖 4.A 是 2.45GHz 中心頻率處四個(gè)單元貼片天線饋電端口處放置的探針測(cè)得的幅度數(shù)據(jù)，可以看到，四個(gè)單元測(cè)得的電場(chǎng)幅度值位分別為 66.9，64.2，65.2，68.2（V/m），可以認(rèn)為較好的達(dá)到了等功率分配的設(shè)計(jì)目的，而圖 4.B 顯示的是 2.45GHz中心頻率處四個(gè)單元貼片天線饋電端口處放置的探針測(cè)得的相位數(shù)據(jù)，可以看到，當(dāng)取端口 1為基準(zhǔn)端口時(shí)，端口 2 和端口 3 與其相位差分別為 81°和 107°，與 90°比較接近，但端口 4與其他兩端口相位差與 90°偏差略多，這也能解釋為何陣列一的軸比特性差于陣列二。

圖 4. 探針測(cè)得饋電端口幅度及相位示意圖

4. 結(jié)論

本章闡述了折線形饋電方式的天線陣列的設(shè)計(jì)和仿真過程，折線型饋電天線陣列通過 T 型結(jié)功分器和 1/4 阻抗變換器以及微帶延遲線實(shí)現(xiàn) 2×2 單元的等幅相移饋電，仿真結(jié)果性能良好，充分證明了設(shè)計(jì)的正確性和有效性，天線實(shí)物成本低廉且可以大批量生產(chǎn)，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

資料來源：達(dá)索官方