0 引言

微帶天線是應用最廣泛的天線之一，它具有體積小、重量輕、低剖面、能與載體共形等優點，目前已成為天線領域中研究的熱點之一。采用層疊貼片天線結構可以有效增加微帶天線帶寬；采用口徑耦合的饋電方式可以減少饋電網絡對天線輻射單元的耦合。

本文綜合運用口徑耦合理論、多層貼片結構設計出一種工作在S波段的寬帶微帶貼片天線單元，并以該天線單元為基礎，采用E面排列形式組成2元線陣。利用電磁仿真軟件對該天線陣進行了仿真優化。文中給出了仿真結果，證明該天線陣具有寬頻帶、低交叉極化等優良性能。

1 天線單元設計

設計的天線單元結構如圖1所示。單元采用有利于展寬天線頻帶的雙層方形貼片結構，下層為激勵貼片，尺寸為46 mm；上層為寄生貼片，尺寸為40 mm。第一、二層介質板使用介電常數較低的泡沫材料，以利于場的輻射，同時也降低了微帶天線的Q值，進一步增加了天線的帶寬。第一層介質板厚度為11 mm，第二層介質板厚度為4 mm。第三層介質板為饋電層，使用介電常數較高的環氧樹脂材料，以利于場的束縛，厚度為1 mm。第二、三層介質板之間為開縫接地板，在中心位置刻有一條矩形縫，縫寬為6 mm，縫長為24 mm。第三層介質板的下方是饋電網絡，微帶饋線采用中心正饋的方式，以增強輻射貼片與饋線之間的耦合，饋線寬度為1 mm。

仿真得到的天線單元的VSWR如圖2所示。在2．22～2．72 GHz的頻率范圍內VSWR小于2，相對阻抗帶寬為20％，與相對阻抗帶寬僅為5％的單層貼片微帶天線相比，帶寬增加了15％。該天線單元的實際增益達到了8．4 dB，如圖3所示。

2 天線陣列的設計

為了獲得較高增益，必須對微帶天線單元進行組陣。本文以上述天線單元為基礎，設計出了2元微帶線陣。陣列結構如圖4所示，陣列的饋電網絡采用并饋形式，兩個陣元之間采用E面排列形式，通過一個等幅同相微帶T型功分器連接組成。其中，微帶T型功分器采用多節阻抗變換段進行阻抗匹配以便展寬頻帶。本文設計的微帶T型功分器由兩級阻抗變換段組成，如圖5所示。

第一級阻抗變換段長度為16 mm，微帶線寬度為2．4 mm；第二級阻抗變換段長度為15 mm，微帶線寬度為0．89 mm。圖6為該微帶T型功分器的反射系數曲線圖，可以看出采用了兩級阻抗變換段的微帶T型功分器在較寬的工作頻帶內保持了較小的反射系數。研究表明：當d／λ0(d為陣元之間的間距，λ0為中心頻率點的波長)取0．7～0．8時，增益和方向系數達到最佳。文中天線陣元之間的間距取84 mm，約0．7λ0。此外，設計中饋線轉彎處均采用45°彎角，并充分考慮了饋電網絡中不必要的輻射和損耗對天線增益帶來的影響。

基于以上設計，利用電磁仿真軟件CST對該天線陣列進行了仿真和優化。

圖7給出了陣列端口的駐波比。

圖8給出了中心頻率點處陣列的實際增益方向圖。

圖9給出了交叉極化電平隨頻率變化曲線。

以上仿真結果表明：該天線陣實際增益達到11．9 dB；在2．27～2．78 GHz頻率范圍內VSWR小于2，相對帶寬為20．4％；在此頻率范圍內E面交叉極化電平小于-27 dB，H面交叉極化電平小于-26 dB；在中心頻率點處E面交叉極化電平為-31 dB，H面交叉極化電平小于-29 dB。由此可見，該天線陣列具有寬頻帶、低交叉極化等優良性能。

3 結論

微帶天線的主要缺點是頻帶較窄，獲得較寬的工作頻帶一直是該領域研究中的一個難點。本文綜合運用口徑耦合理論、層疊貼片結構設計了一種寬帶微帶貼片天線單元及兩元陣列結構。口徑耦合的饋電方式以及層疊貼片天線結構可以獲得較寬的頻帶。仿真結果證明該微帶天線陣列具有寬頻帶、低交叉極化等優良性能，有良好的應用前景。

作者：趙后亮，尹家賢