新型超宽带微带阵列天线分析设计*

黄 斌，徐英欣

（桂林空军学院 桂林 541003）

1 引言

近些年来，随着无线通信技术的迅速发展，人们对无线通信系统的性能提出了越来越高的要求，如现在的个人通信需要满足包括GPS、CDMA、WLAN在内的多种功能和协议。因此，为了降低系统复杂度，减少系统功耗，当前的许多研究都致力于将工作在不同频段的各个系统整合到一个单一的超宽带系统中[1]。对于超宽带系统，一个非常关键的问题就是超宽带天线的研究，超宽带天线作为超宽带系统的关键设备在功能、设计及制造工艺上都面临着巨大的挑战。应用于超宽带系统的天线必须满足很高的要求，不仅要满足3.1～10.6 GHz的频带要求，还必须在整个频带上保持良好的辐射特性，未来的无线通信系统将更广泛地使用阵列天线来实现这些特性，用多个天线单元来提高天线性能，将宽频带的天线单元合理地布局，使天线的主波束能在带宽范围内的每一个频率上进行宽角度扫描。在天线单元的选择上，微带天线以它重量轻、可共形、易集成、便于匹配等优点获得了更多的青睐，尤其是近几年，国内外在微带阵列天线方面的研究得到了越来越广泛的关注。

本文提出了一种新型的超宽带平面结构微带阵列天线，该阵列天线能很好地满足超宽带系统的要求。该阵列天线的天线单元是加载矩形贴片的平面印制圆形缝隙微带天线，其阻抗带宽从3.1 GHz到 12.4 GHz，达到了4倍频程，覆盖了整个UWB频带，同时天线还是双向辐射，在整个工作频带上都有良好的辐射特性，而且天线还具有平面结构小尺寸的特点，非常适合应用于目前的超宽带无线通信系统。

2 天线结构与理论分析

图1为阵列天线的实物照片，这是一个4单元的阵列天线，天线单元采用加载矩形贴片的平面印制圆形缝隙超宽带微带天线[2]，整个阵列天线的尺寸只有30 mm×130 mm，但其阻抗带宽从3.1 GHz到12.4 GHz，达到了4倍频程，天线单元间距是35 mm，约等于0.35倍的最大工作波长和1.4倍的最小工作波长。

馈电网络采用如图2所示的威尔金森一分四宽带功分器，功分器的设计过程分为两步：首先根据奇偶模分析以及参考文献[3]中的经验公式来确定功分器各个元件的最初值，包括金属带的长度、宽度以及各个电阻的大小等；第二步再利用仿真软件ADS（advanced design system）来对这些值进行优化，然后根据这些数据设计制作如图2所示的威尔金森一分四宽带功分器。

分析阵列天线的方法不多，其中较为简单的一种是阵因子法，阵因子法的理论基础是方向图乘积定理。

阵因子法完全忽略了天线单元间的互耦作用，因此比较简单，但是精确度较低，由于本文所研究的天线阵列的单元间距很小，已经小于了λmax/2（λmax为天线最低工作频率对应的波长），因此单元间的互耦作用比较明显，是不能够忽略的，所以必须对用阵因子法得到的结果加以修正。通常微带贴片间的互耦是由空间波和表面波同时引起的。互耦效应对阵性能的影响很大，影响的结果可以是积极的，也可能是消极的，总的来说互耦效应的存在将导致：阵元输入阻抗与孤立单元的输入阻抗不同，阵元方向图与孤立单元的方向图不同，阵的增益与互耦系数有关，阵的极化特性也受到很大影响。对于微带天线单元间互耦的研究工作，已在不少文献中出现。在参考文献[4]中，由Jedlick和Poe得出了两辐射元间散射系数随元间距变化的一些测量值,并在此基础上，进行了大量的理论分析。参考文献[5，6]运用空腔模型及反应原理，导出了计算两贴片之间互耦的互阻抗公式。在参考文献[7]中则运用传输线模型及反应原理得到两贴片元间的互导纳。这些方法由于所依据模型的限制，其适用范围及计算结果也受到了一定的限制。总的来说，微带天线单元间互耦作用的分析比较复杂，对于小规模的阵列，主要是基于实验的方法对理论结果进行修正，然后通过仿真软件对天线阵列进行仿真优化，最终获得理想的指标。

3 天线性能

图3显示了单元间距对天线增益的影响，从图上可以看到，在频率为3 GHz和6 GHz时，随着单元间距的增加阵列天线增益也逐渐提高，直到间距为45 mm时，增益下降比较明显。随着频率的增加，天线的旁瓣逐渐增多，从而造成频率为9 GHz时，阵列的增益随单元间距变化处于波动状态，从该图可以分析得到，当天线单元间距为35 mm时，阵列天线的增益最佳。

用一分四的威尔金森宽带功分器给天线的4个端口馈电，把天线与功分器相连接形成一个阵列天线系统，图4是在阵列天线系统的功分器端口测量到的回波损耗，从图中可以看到阵列天线系统的阻抗带宽从3.1 GHz到12.4 GHz，达到了4倍频程，覆盖了整个UWB频带。

在微波暗室里测试了天线的远场辐射方向图，图5给出的是天线分别在3 GHz、6 GHz和9 GHz时的H面辐射方向图，这里只给出H面方向图，因为天线是以H面方向布阵的，E面方向只有一个单元天线，所以E面方向图只体现单元天线的E面方向图，而H面的方向图则为4个单元天线的合成，从图中可以看到，随着工作频率的增加天线H面方向图的方向性越来越明显，而且旁瓣逐渐增多，但旁瓣电平（SLL）在整个频带范围内都低于－13 dB。

4 结束语

本文提出了一种新型的超宽带微带阵列天线，天线由4个按H面排列的单元天线组成，天线单元是加载矩形贴片的平面印制圆形缝隙微带天线，整个天线由一分四的威尔金森功分器进行馈电。本文通过数值仿真和实际测量研究了该天线的特性，实验结果与仿真结果较好地吻合，实验结果表明，该天线的阻抗带宽从3.1 GHz到12.4 GHz，达到了4倍频程，覆盖了整个UWB频带，天线是双向辐射，而且具有平面结构小尺寸的特点，非常适合应用于目前的超宽带无线通信系统。

1 McManmon P F,Waston E A,Eismann M T.Suggestions for low costmultifunction sensing.In:Proceedings ofIEEE Aerospace Conf,Aspen,CO,March 1998

2 Huang Bin,Yao Yuan,Feng Zhenghe.Analysis and design of a novel compact UWB antenna.In:Microwave and Millimeter Wave Technology,2008(ICMMT’08),Builin,April 2008

3 Cohn S B.A class of broadband three-port TEM-mode hybrids.IRE Trans Microw Theory Tech,1968,16(2):110～116

4 Jedlick R P,Poe M T,Caver K R.Measure mutual coupling between microstrip antennas.IEEE-AP,1981,29(1):147～149

5 Malkones M.Mutual coupling between microstrip patch antennas.Electronics Letters,1982,18(12):510～522

6 Penard E,Daniel J P.Mutual coupling between microstrip antennas.Electronics Letters,1982,18(14):605～607

7 Van Lil E H,Vande Capelle A R.Transmission line model for mutual coupling between microstrip antennas.IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1984,32(8):816～821