一種寬頻帶微帶陣列天線

1引言

微帶天線以其重量輕、剖面低、制作簡單、性能穩定等諸多優點，在通訊和雷達等領域得到了廣泛的應用。隨著微帶天線應用領域的擴大，人們對通訊及雷達等系統適應復雜環境的要求也越來越高。而微帶天線的傳輸線及輻射單元都是直接與外界接觸的，給天線的防腐、防濕等帶來了困難，盡管有的天線加裝了天線罩，但因天線罩獨立于天線，破壞了天線的整體性、降低了天線的電氣性能，而且密封性能也不好，本來簡潔、輕便的微帶天線變得比較笨重，隨著電磁環境的日益復雜，對通訊及雷達等系統的電磁兼容要求也越來越高，其中工作帶寬的要求已遠遠超過了傳統的微帶天線的帶寬特性。為了適應這些要求,微波領域的工作者發明創造了很多形式的微帶天線，從理論上詳細分析了一種頻帶比較寬，同時把天線罩作為天線的一部分集成在一起的，具有良好密閉性能的微帶天線形式。本文介紹在此理論基礎上設計的一種寬頻帶微帶陣列天線。

2輻射單元設計

一般的微帶天線單元，由于受微帶板子厚度的限制，其相對帶寬僅為1%左右，要展寬其帶寬一是增加微帶板子的厚度，二是采用多層結構，還有使用匹配網絡等方法來展寬微帶貼片的駐波帶寬。在微帶傳輸線正對的或附近的地板上腐蝕與帶線正交的或傾斜的縫隙能夠形成較寬帶寬的輻射天線，其雙向輻射特性可以通過給一邊適當的位置加金屬板的的方法來解決，為了使天線罩與天線成為一個整體，在微帶線的另一邊適當的位置加一適當強度、適當厚度的介質材料，但不像介紹的那樣帶上金屬貼片，作為天線罩，在單元的格林函數中計入包括3層空氣在內的總共5層介質的影響，設計各層的厚度、間距以及縫隙的參數等等，使微帶天線單元的駐波比帶寬達到指標要求，其結構示意圖見圖6。圖1、2分別為單元輸入電壓駐波比的理論和實測曲線。

圖1輻射單元VSWR理論值

圖2輻射單元VSWR實測值

3陣列設計

天線的帶寬要求比較寬，同時天線的電尺寸相對不是很大，根據尺寸、波束及增益相互限制關系，天線單元之間的間距橫向選為0.65λ，縱向選為0.7λ，天線為8×16的陣列，天線饋電網絡為并行功分網絡。網絡中的關鍵器件二分功分器，普遍的設計是選擇Wilkinson隔離型功分器，但其成本較高，制作過程工序增加，通過網絡設計及分析計算（輸入電壓駐波比的分析結果見圖3），對于本天線而言采用不帶隔離的功分器完全能夠滿足技術要求，天線方向圖根據以下公式計算。

圖3輻射單元完全匹配條件下，理論計算的
天線陣列端口VSWR

圖4實際輻射單元條件下，實測的天線陣列端口VSWR