平面行波串饋寬帶頻掃天線

1引言

近年來，隨著現代無線通信技術的高速發展，微帶天線以其重量輕、成本低、易集成等諸多優點，日益受到人們的青睞。但是微帶天線帶寬較窄，相對帶寬一般只有1%~5%，因而在實際應用中受到了一定的限制。因此，如何展寬微帶天線帶寬具有十分重要的意義。THOMASMETZLER制作了一個5mm長，采用26個相似微帶貼片諧振單元的行波串饋天線，在1.40~1.43GHz頻帶內，天線增益21.5dB，天線掃描角度2度。本文采用18個相似微帶矩形貼片諧振單元行波串饋結構，在22.0-25.0GHz頻帶內實現寬帶掃頻特性，天線掃描角度20.8度。

2天線設計

本文采用18個相似微帶矩形貼片諧振單元結構，通過高阻線串聯饋電，饋電結構簡單，易于電路集成。單個矩形貼片諧振單元結構如圖1所示。在天線設計時，有許多關鍵的設計參數，如饋線寬度W_feed、貼片寬度W_patch、饋線長度L_feed、貼片長度L_patch等，下面將對這些關鍵參數進行詳細分析。

圖1矩形貼片諧振單元

2.1天線寬頻帶設計——饋線寬度W_feed和貼片寬度W_patch

天線饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio(=W_feed/W_patch)控制著饋線與貼片之間的耦合度。每個貼片單元可以看成是一個包含輸入端和輸出端的二端口網絡，端口阻抗由帶線的特征阻抗決定。增大饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio，可以減小該諧振單元的Q值，從而增大天線帶寬[3]。但是天線輻射效率幾乎與貼片寬度成正比，增大饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio，貼片寬度將相對減小，從而天線輻射效率也將隨之減小。這樣就需要對天線帶寬與天線輻射效率之間有個權衡，來確定饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio。

為了解決天線帶寬和天線輻射效率之間的矛盾，本文采用了一種饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio漸變的結構，如圖2所示。多個W_Ratio逐漸減小的貼片單元串聯級聯在一起，構成貼片天線陣列。在靠近天線輸入端，饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio較大，有利于實現寬帶匹配，展寬天線帶寬。在靠近天線終端，饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio較小，貼片寬度相對較大，有利于提高天線輻射效率。

圖2平面陣列天線結構示意圖

2.2天線頻掃設計——饋線長度L_feed和貼片長度L_patch

微帶貼片天線有兩種類型的TEM傳輸線天線：

1）天線終端接匹配負載的行波天線；

2）天線終端為開路或短路的駐波天線。