2.45GHz四元微带天线阵设计方案

图 2 矩形微带天线单元坐标示意图
1.2.1 介质基板的选取 作为微带天线设计的第一步就是要选定介质基板并确定其厚度 h。这是因为基板材料的
r 和 tan 值及其厚度 h 直接影响这微带天线的一系列性能指标：
1. 对尺寸及体积重量的影响
工 作 于 主 模 TM01 模 矩 形 微 带 天 线 贴 片 长 度 近 似 为 g / 2 ，
(1)
可见 L 值与 r 直接相关。当 L、W 确定后，则 h 的取值决定着天线的体积和重量。 2. 对微带线特性阻抗的影响 本设计中需要对给微带天线单元进行馈电的微带线的特性阻抗与微带线的宽度直接相 关，为了使微带天线单元与传输线较好地匹配，需要特定阻抗的微带线对其进行馈电。微带 线由一条导体带和背面有导体接地板的介质基片构成。 导体带宽度为 w， 介质基片厚度为 h， 相对介电常数为 r 。微带线传输准 TEM 模。当 r 及 h 已知时，微带线的特性阻抗 Z c 取决 于 w / h 比值，随 w / h 增大而减小。 给定特性阻抗 Z c ，可用下列公式求得所需微带线的宽度 w:
图 5 微带天线单元的 VSWR 与增益仿真结果图
2.阵列设计
在各种实际应用中，往往要求天线具有高增益、高功率、低旁瓣、波束扫描或波束控制 等特性。 由于天线阵或相控阵可能获得这些特性， 从而使得阵技术在实际中获得广泛的应用， 大大促进了阵技术和理论的发展。 70 年代以后，随着微带天线的出现与发展，人们对以微带线馈电的微带天线阵产生浓 厚兴趣。同一般微波天线一样，要得到高增益，波束扫描或波束控制等特性，只有将离散的 辐射元组成阵列才有可能。微带天线阵在下列诸方面具有独特的优势： （1）结构简单，易于 制作和生产； （2）重量轻、体积小和成本低； （3）容易同安装表面拱形或在安装表面有很薄 的凸起； （4）易于实现多极化、变极化或双频工作； （5）馈电网络可以与微带天线元集成在 同一介质板上。 本设计中天线阵元采用上面讨论的矩形贴片单元组成 2*2 四元阵， 增益和带宽都能较好 满足设计要求。 2.1 阵的馈电及结构 阵的馈电网络主要任务是保证各阵元所要求的激励振幅和相位， 以便形成所要求的方向 图，或者使天线性能某项指标最佳。对馈电网络的主要要求是阻抗匹配、损耗小、频带宽和 结构简单等。阵的馈电形式主要有并连和串联馈电两种形式。本设计采用并联馈电，将馈电 点的输入功率平均分配到各个阵元。 本设计要实现简单的同相阵， 可以利用各路馈线等长来 保证各元同相激励。图 6 所示为设计的四元微带天线阵列示意图。在馈电点处采用同轴线 背馈。
1 1 1 1 1 Q Qr Qd Qc Qsw
(9)
Qr、Qd、Qc、Qsw 分别对应于辐射损耗、介质损耗、导体损耗和表面波损耗的品质因
子值。
Qd
3 1 1 , Qc h 0 f 0 , Qr 0 r , Qsw ( 1)Qr h tan 8h 3.4 r 1
w 2 r 1 0.517 ln( R 1) 0.293 R 1 ln(2 R 1) r r h 377 R , Z c 44 2 r 2Z c r w 8exp H h exp(2 H ) 2 H Z c 2 r 1 r 1 0.1208 0.2558 , Z 44 2 r 120 r 1 r c
2.45GHz 四元微带天线阵设计方案
在设计 2.4GHz 单向无线通信系统中，鉴于传输信号带宽较窄，对天线小型化要求不高 （不大于 250mm 250mm ） ，因此收发天线采用设计制作简单、材料廉价易得的微带阵列 天线，而且由于收发天线互易性，发射与接收天线采用同一设计方案。天线单元采用矩形贴 片设计，最后组成 2*2 的四元微带天线阵列。 该天线具体设计性能指标如下： 工作频率：2.44~2.45GHz 增益：>6dB 下文介绍本微带阵列天线相关的设计理论与设计过程。 上世纪 50 年代微带辐射器的概念被人提出，70 年代初出现了第一批使用的微带天线。 微带天线的最基本形式是在有金属导体接地的介质基片上贴加金属导体薄片。 贴片可以是任 意形状，它是利用微带天线、同轴探针等结构对贴片馈电，在导体贴片与接地板之间激励起 射频电磁场， 并通过贴片周围与接地板之间的缝隙向外辐射。 因此可认为微带天线是一种缝 隙天线。可用不同的天线单元来组成阵列天线，提高其性能来满足不同的需要。
图 1 传输线法物理模型
利用传输线模式分析微带天线是比较早期的方法，也是最简单的方法。图 1 所示为传 输线法物理模型。传输线模型的基本假设是：1）微带片和金属底板构成一段微带传输线， 传输准 TEM 波，博得传输方向决定于馈电点。线段长度 L g / 2 ， g 为准 TEM 波的波 长。常在传输方向是驻波分布，而在其垂直方向是常数。2）传输线的两个开口端等效为两 个辐射缝长为 W，宽为 h，缝口径场即为传输线开口端场强。缝平面看作位于微带片两端的 延伸面上，即是将开口面向上折转 90o,而开口场强随之折转。 由以上两条基本假设可以看出，当 L g / 2 时，二缝上切向电场均为 x 方向，且等幅 同相、它们等效为磁流，由于金属底板的作用，相当于有二倍磁流向上半空间辐射。缝上等 效磁流密度为 M s 2V / h ，式中，V 为传输线开口端电压。 由于缝已放平，在计算上半空间辐射场时，就可按自由空间处理，这是这种方法的方便 之处。 1.2 微带天线单元设计 微带天线的贴片形状可采用矩形、圆形、环形、三角形等，他们都各有特点，但考虑到 制板以及微带线馈电和匹配， 通常大多采用矩形贴片。 一般矩形微带天线的馈电方式都是从 贴片某一边的中心点馈电由于馈电点所在的边和辐射边平行， 辐射边是均匀分布， 因此激励 的工作模为 TM01。这样形成的极化形式为线极化。矩形微带天线单元坐标示意图如图 2 所 示。其与设计有关参量包括：辐射元长度 L，辐射元宽度 W，介质板厚度 h，介质板的长度 LG 和宽度 WG，介质的相对介电常数 r 和损耗角正切 tan ，馈电方式及阻抗匹配。
L
c 2 fr e
2l
(6)
0.3W / h 0.264 l 0.412 e h e 0.258W / h 0.8
(7)
本设计天线工作频带在 2.44~2.45GHz，取 f r 2.445GHz 。由式( 5 )~( 7 )计算得天线设计 尺寸为 W 48.5mm, L 40.33mm 。使用电磁仿真软件 HFSS 实际仿真了该单元天线，如 图 3 所示为 HFSS 仿真微带天线单元结构示意图。 用 HFSS 对单元尺寸进行了优化， 优化尺 寸为 W 48.5mm, L 39mm 。
( 10 )
01
设计要求由式( 8 )、( 10 )确定的天线阻抗和式( 2 )传输线特性阻抗达到匹配，这样可以 使天线工作在最佳状态。 本设计中，可由上述经验公式得到天线实际的谐振阻抗约在 200Ω左右，则选取特性阻 抗为 200Ω左右的馈线对该贴片单元进行馈电可以实现较好的阻抗匹配。由公式( 2 )，结合 选取的介质基板材料及实际加工工艺精度 0.1mm，最后选定馈线宽度为 w 0.2mm ，特性 阻抗为 Z c 191.7 。用 HFSS 对该微带天线单元进行数值仿真分析，图 5 所示分别为微 带天线单元的 VSWR 与增益仿真结果图。 可以看出， 该天线单元的 VSWR 2 的带宽为 47M， 主瓣增益为 7.3dB。
(2)
3. 对方向特性的影响 如在传输线模型分析法中所述，矩形微带天线的 E 面方向图与两边辐射边间距 L 有关。 对于相同的工作频率采用不同 r 的基板则由式( 1 )知对应的 L 值不同，所以 E 面的波束宽 度也就不同。E 面波束宽度可根据二元阵公式算出，
s0 f ( ) 2 A cos sin 2
c r 1 W 2 fr 2

1 2
(5)
其中 f r 为天线的工作频率， c 为光速， r 为介质基片的相对介电常数。 2. 单元长度 矩形微带天线的长度 L 在理论上取 g / 2 ， 但实际上由于边缘场的影响在设计 L 的尺寸 时应减去 2l ，计算公式由式（6） （7）给出。
频带（MHz）= 5.04 f
2
h
(4)
式中，f 是以 GHz 为单位的频率，h 是以毫米为单位的基板厚度。 5. 基板厚度对效率的影响 实验证明基板厚度对辐射效率有显著的影响， h 的增大使辐射效率增大。 有文献中给出： 当采用的基板，工作于 400MHz 的天线，若 h=0.079cm，效率为 65%，当 h=0.318cm 时， 效 率为 85%。 上述诸因素中有的是相互制约的。例如为了展宽频带和提高效率而增大基板厚度 h， 但 h 的增加不但使重量增加而且破坏了低剖面特性这在某些飞行器天线的应用是很忌讳的。事 实上并不存在各个方面都理想的基板材料，而主要根据应用的具体要求来权衡选定。 本设计中决定基板材料与厚度最重要的因素是要保证天线各单元与微带线较好的匹配， 并且最终并联后与 50Ω的同轴接头良好匹配。最终决定选取 r 2.2, tan 0.0009 ，厚 度 h 2mm 的介质基板。 1.2.2 单元尺寸的选取 1. 单元宽度 在确定介质基板材料及其厚度 h 后，应先确定单元宽度 W 的尺寸。因为由式( 1 )知， 当 r 及 h 已知时 e 取决于 W，而单元长度 L 值又与 e 直接相关。W 的尺寸影响着微带天 线的方向性函数、辐射电阻及输入阻抗，从而影响着频带宽度和辐射效率。另外，W 的尺 寸直接支配着微带天线的总尺寸。W 的计算公式由下式给出:
1.贴片单元设计
结构最简单的微带天线是由贴在带有金属底板的介质基片上的辐射贴片所构成的。 贴片 导体通常是铜或金， 它可取任意形状。 但是通常都采用常规的形状以简化分析和预期其性能。 基片的介电常数应较低， 这样可以增强产生辐射的边缘场。 微带天线单元货微带天线阵列其 结构通常都比较简单，但其电磁场的分析却很复杂。一方面，微带天线的品质因数很高， 使 得较难得到精确的阻抗特性；并且，戒指的各向异性、加载、损耗、表面波效应等影响也较 严重。另一方面，微带天线的几何结构也是多种多样的，包括不同的贴片形状、馈电方法， 以及寄生单元或层叠单元的应用，共面馈电网络与有缘线路的集成等。 微带天线的分析方法主要氛围基于简化假设的近似方法和全波分析方法两大类。 全波分 析方法有更好的适应性和更高的精度，但速度较慢。第一类方法包括传输线模型，空腔模型 和分段模型。这种方法将贴片单元当做一段传输线或是空腔谐振器，简化了分析和计算， 提 高了速度，并且物理概念清晰，可以提供设计的初始数据。 1.1 微带天线的传输线模型