一种低剖面宽带缝隙耦合天线阵列设计

李宁 王元源 廖原

摘  要：本文提出一种基于PCB层压技术的低剖面宽带缝隙耦合天线阵列。通过引入“哑铃”形缝隙耦合结构，形成频带内多个寄生谐振频率，来展宽天线工作带宽。仿真与实测数据表明16×16天线阵列各单元在12GHz-18GHz内驻波比小于2.3。并且能够满足相控阵宽角扫描要求。

关键词：缝隙耦合;宽带天线;低剖面

中图分类号：TN822      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）01-0026-04

Design of Low Profile Wideband Slot Coupled Antenna Array

LI Ning，WANG Yuanyuan，LIAO Yuan

（Xi’an Electronic Engineering Research Institute，Xi’an  710100，China）

Abstract：In the paper a low profile wideband slot coupled antenna array is presented based on laminated PCB technology. The wideband characteristic is obtained by the “dumbbell” shape coupled structure which can get more resonant frequencies. The simulated computation and measured results indicate that the VSWR of this 16×16 antenna array is less than 2.3 in the frequency band from 12GHz to 18GHz. And it can meet the requirements of wide angle scanning of phased array.

Keywords：slot coupled;wideband antenna;low profile

0  引  言

随着传感器系统及卫星通讯系统的飞速发展，具备波束快速扫描赋形及自适应波束形成的宽带有源相控阵[1]将成为其主流的硬件方案。有源相控阵具有天线波束的快速扫描与赋形、空间定向及空域滤波、扫描和跟踪去耦合、空间功率合成、天线与载体平台共形及自适应多波束形成等优势[2]。本文通过认真分析原有基于缝隙耦合微带天线[3-7]的优点以及存在的问题，提出一种新型“哑铃”形耦合缝隙天线单元。该结构通过贴片基板下方的内层接地板上腐蚀出的哑铃形缝隙，该缝隙在H形缝隙[8]基础上，分别引入四处倾斜渐变结构，形成天线的多个寄生谐振频率，进而起到展宽天线工作带宽的作用。并设计、制造基于哑铃缝隙耦合的16×16天线阵列，在天线单元间打金属过孔以增加隔离度。仿真结果和测试结果表明16×16阵列各单元在12GHz-18GHz频段内驻波比小于2.3。

1  天线单元设计

1.1  天线单元结构设计

天线单元采用基于缝隙耦合馈电的多层微带结构，包括矩形辐射贴片、哑铃形耦合缝隙、复合式馈线、金属地板、屏蔽结构等主要部分。整个单元辐射层共由四层介质板层压构成，多层板材料选择相对介电常数εr=3的Taconic TSM-DS3高频介质基材，板间通过半固化片胶膜压接，所选半固化片材料为介电常数εr=2.7的Taconic FR-27。如图1所示，由上至下，辐射贴片基板厚度（hs1）为1.524mm，半固化片厚度（hp）为0.076mm，馈电层基板厚度（hs2）為0.254mm。金属层为L1-L5层。

L1层为金属贴片辐射层，L2层为腐蚀出哑铃形缝隙的一层，L3层为通过耦合馈电的馈线，L4层为金属地层，其作用为降低贴片对馈电网络的背向辐射干扰。L3层馈线通过L4层的孔洞，与L5层的微带线相连，从而实现为天线单元馈电。

天线单元设计中缝隙结构的设计直接影响天线性能，调节缝隙的结构可以调节馈电层与辐射贴片的耦合度，本文提出的哑铃缝隙结构可以增加多个谐振点，从而达到展宽带宽的作用。

在充分考虑多层板结构的误差会对高频频段天线性能产生影响的情况下，利用Ansoft HFSS软件对模型进行了多次优化。最终天线单元的仿真结果显示：天线单元在Ku频段有多个谐振点，在12GHz-18GHz内驻波比会低于2.3，除高频点较高外，其他频带均满足要求。

2.2  天线单元实物与实测数据

根据上一节的仿真优化参数，运用多层层压PCB技术制造的天线实物如图2所示。在12GHz-18GHz频带内对天线单元的驻波比以及辐射方向图进行了测试，实测结果如图3所示。

图3给出了天线单元的实测数据，12GHz-18GHz频带内天线单元驻波比在2.3以下，除高频点驻波比高于2，其他频带满足驻波比低于2的要求。相对带宽达到40%，具备良好的辐射特性。

2  天线阵列设计

2.1  天线阵列仿真设计

从天线单元的仿真与实物测试中可以看出，该类基于哑铃形的缝隙耦合天线可以实现在Ku频段内驻波比小于2.3，并且具有良好的辐射特性。基于此，本节将在原基础上进行对16×16天线阵列的仿真与测试。

由于仿真天线阵列需要庞大的计算量，所以在仿真过程中先运用二维周期性主-从边界法来模拟无线阵列进行仿真。运用Ansoft HFSS软件仿真得到的数据表明阵列的有源驻波比在高频段有一定的恶化，高频端有源驻波比在2.6左右。

2.2  天线阵列实物与实测数据

在2.1节天线阵列仿真设计对天线单元进行二维周期性主-从边界法的仿真中，天线阵列在Ku（12GHz-18GHz）频段除高频点以外均满足驻波比低于2的要求。该节根据仿真分析结果进行了试验件的加工，实物图如图4所示。并对实物阵列各单元的驻波比及远场辐射图进行了测试。

由于天线单元过多，无法一一列举，图5-图7列举了天线阵中单元的电压驻波比及辐射方向图。

图8-图10列举了阵列边缘单元的电压驻波比及辐射方向图。

由各单元的测试数据知：在Ku（12GHz-18GHz）频段内，天线阵列阵中单元及阵列边缘单元电压驻波比小于1.7。但天线阵列由于背部铝板热胀冷缩的问题，阵中部分金属背板中心位置相对四角的形变达到了0.4mm以上，导致連接器与微带阵面焊接区域不能完全接触，引起阵中部分单元驻波比较大。最终天线阵列整体驻波比控制在2.3以内。

4  结  论

本文为了满足传感器系统及卫星通讯系统飞速发展下对宽带有源相控阵的需求，设计并加工了基于哑铃形缝隙耦合的天线单元以及16×16天线阵列。实测数据表明天线单元的电压驻波比低于2.3，16×16阵列天线中天线单元电压驻波比均在2.3以下。40%的相对带宽以及天线单元较小的横向尺寸（18GHz对应波长的0.57倍）使该天线具有相控阵大角度扫描的能力。

参考文献：

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