一种缝隙耦合二元贴片天线的设计

电子科技２０ｃｒ７年第１２期（总第２１９期）一种缝隙耦合二元贴片天线的设计白国新，傅光，熊向飞（西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，陕西西安７１０ａｒ７１）

摘要设计并制作了一种移动裁体上安装的方位面宽波束的二元微带天线阵，采用了缝隙耦合馈电的形式展宽带宽。为了提高增益而采用微带二元阵。通过调节贴片宽度、地板宽度，实现方位面的宽波束。并对其特性进行了仿真和测试。测试结果与仿真结果达到了较好的一致性，证明了设计方法的有效性。关键词微带；缝隙耦合；宽波束中图分类号ＴＮ８２

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应使用要求，设计制作移动载体上安装的方位面宽波束天线，具体性能指标如表１。要实现天线方位面宽波束，传统方法是加反射板的对称振

子阵，结构如图ｌ，其缺点是尺寸较大，安装不便；使用微带线馈电的微带二元阵结构简单，尺

寸小，但带宽只有３％左右；缝隙耦合微带天线以其独特的性能（馈电网络与辐射单元相对分离，从

而把馈线对天线辐射方向图的影响降到最小）得到了广泛的应用…。缝隙耦合天线在微带板两侧的辐射基本对称，但给微带缝隙前加适当的微带贴片，可使天线辐射的前后比达到２３ｄＢ。文中采用微带缝隙耦合贴片的二元阵，得到较宽的带宽，

收稿日期：２００７舶一１９作者简介：白国新（１９８０一），男，硕士研究生。研究方向：微带天线工程与应用。傅光（１９６３一），男，教授。硕士生导师。研究方向：天线理论与工程。

实现定向辐射和宽波束［２】。对称振子反却板一二＝：≥一

图１传统结构图１天线的设计１．１介质基片的选取天线基本单元采用缝隙耦合矩形贴片，设计的第一步就是选择介质基片并确定其厚度。天线采用双层介质，微带线分布于地板的背面，其与地板间介质基片的相对介电常数为２．６，厚为２ｍｍ；缝隙与贴片之间介质对微带天线的性能指标影响很大；当Ｌ、训取定后，＾值决定着天线的体积和重量，同时增大矩形微带介质基片的厚度和减小其介电常数都可以增大带宽，考虑到飞行载体的载重要求及天线的高效率，选择空气介质，为抑制表面波，应满足＾／Ａｏ＜Ｏ．０８（８，一２．６）。

　万方数据一转缝隙耦合二元贴片天线的设计１．２单元宽度Ⅳ。长度￡的确定伽的尺寸影响着微带天线的方向函数、辐射电阻及输入阻抗口］，也就影响着频带宽度和辐射效率。在天线设计尺寸允许的条件下，ｔ‘『取得适当大些对频带、效率及阻抗匹配有利，但当加尺寸大于下式给出的值时将产生高次模，从而引起场的畸变。加＝参（学）一｝（１）

式中，ｃ是光速，Ｚ是谐振频率。但由于要实现水平面内的高增益、宽波束，形不能太大，故最后把埘取为式（１）计算尺寸的一半左右。铷．化一㈩＾（占。＋ｏ．２５８）（半＋ｏ．８）铲字＋孚（１＋警）｛（５）占ｃ５丁＋丁ＬＨ可，。Ｌ３Ｊ数影响较大。经过理论计算Ｈ】，初步将阵元间距缝隙耦合天线必须采用窄缝，以避免出现过大的交叉极化分量；缝隙的长度可由经验式（６）给对于低介电常数而言，偏馈的谐振长度在０．４Ａ。一０．５Ａ。之间。中心馈电时比偏馈时的谐振长度略长，当∥Ｚ≥Ｏ．５（Ｄ为馈线偏离缝隙中心的距离）Ａ。是缝中的波长‘引，可由下式确定乏＝序（７）Ａｏ√占，＋１Ｆ，约为２．６Ａ，尺寸大约可确定为０．７４Ａ，２出是由于考虑缝端电流而引入的修正量。在文中，所采用的馈电方式是中心馈电，谐振长度大于Ｏ．３Ａ。［３】，最终具体参数的确定是通过对模型的仿真及实物的调试完成。１．５馈电网络的设计见图２，文中采用简单的功分器线路实现两单元反相馈电，从而使两单元的远场叠加，故馈电点不在中心，而是偏向一个单元，功分器要保证电磁能量等幅反相传输到两个单元，功分器两臂应该有微带传输线半波长的差距，电流分布如图中箭头所示。功分器采用微带形式，微带线分布在地板的背面，以免对贴片的辐射产生影响。

图２功分器及电流分布图２设计调试及测试结果用前文所述方法，设计一个工作频率在ＧＳＭ基站发射频率（９３５ＭＨｚ一９６０ＭＨｚ）的缝隙耦合二元贴片天线。用Ｈ黔ｓ１０．Ｏ建立模型，并进行仿真优化。并根据仿真结果做出天线，给出了相应实物测试结果与仿真的对比。２．１仿真设计由于要实现水平面的宽波束，３ｄＢ宽度要达到９００，贴片宽度ｌｔ，要小于经验尺寸，选取１００ｍｍ，长度￡＝１２２蚴，缝隙宽４咖，长Ｚ＝

９５姗，馈电功分器用如图所示的微带形式。建立

模型进行仿真，发现振子间距对最大增益和俯仰面波瓣宽度影响较大。地板宽度减小对方位面波瓣宽度加宽有很大帮助，最后确定当单元间距ｄ＝２６２ｍｍ，地板宽度１３０衄，长５６０衄时，可得

到非常好的辐射方向图。最大增益１１．３ｄＢ，水平

电子科技／２００ｒ７年１２月１５日，７　万方数据一种缝隙耦合二元贴片天线的设计面３ｄＢ波瓣宽度达到９６。，俯仰面３ｄＢ波瓣宽度达到３１。。在振子间距基本不变的基础上，主要通过调节贴片长度Ｌ、缝隙长度Ｚ以及空气微带的高度矗来实现阻抗的良好匹配∞１。经过调节，最后在图３和图４所示结构及尺寸下，取得了非常好的阻抗匹配和辐射特性，９３５ＭＨｚ一９６０ＭＨｚ驻波小于１．３５，ｖｓｗｒ≤２的相对带宽达到６％以上，与同类型微带贴片（占，一２．６，＾＝２ｍｍ时，ｖｓｗＴ≤２的相对带宽在３％左右）相比带宽有明显改善；辐射方向图也满足方位面宽波束要求。图３天线结构斜视图（单位：姗）图４天线结构俯视图（单位：ｍｍ）２．２制作、调试及测试按照图３，图４所示尺寸，加工了一个实物如图５，用ＡＶ３６２０矢量网络分析仪测试发现天线容性较大。考虑是地板和支撑板之间电容的估算不准确，故在不改变任何尺寸，只在馈电口附近加一段开路单枝节来抵消这部分容性，调节枝节的位置和长度，很快就实现了很好的阻抗匹配，９３５ＭＨｚ一９６０ＭＨｚ测试驻波小于１．４。仿真及测试驻波对比如图６。因为枝节是加在地板的背面，对辐射特性不会造成影响。

图５天线实物照片然后在微波暗室中，用测量系统ＨＰ８５３０１Ｂ中进行远场测量，得出的增益及方位面和俯仰面的３ｄＢ波瓣宽度与仿真结果对比如图７所示。最终测试的指标结果如表２，可以看出实测的天线阻抗和辐射特性都与仿真计算的结果相对比较一致，各项性能均优于设计指标。只是由于加工精度及使用材料介电常数的不准确，造成谐振频率的偏移；辐射特性的误差很小，考虑主要是来源于测试的误差。

图６驻波仿真与测试对比图７增益方向图仿真与测试对比表２指标测试结果

３矗ＥｌｅｃｔｍＩＩｉｃＳ吐＆Ｔｅｃｈ／Ｄ∞．１５．２００７

　万方数据谐振式四臂螺旋天线设计方法的研究天线实际参数：工作频率厂，螺旋圈数Ⅳ＝ｏ．５，臂长￡＝０．５Ａ，轴向长度厶＝５０姗，半径ｒ＝１８咖。

一实测值Ｏ—．计算值神，：ｊ）．弘

…·交叉极化值

瞩瓣。

蠼雾０８Ｉ图６归一化辐射方向图

ＵＬ乙图８天线不圆度从以上图可以看出，天线性能达到了系统要求的技术指标，计算结果与测量结果有很好的一致性。

３结束语根据卫星移动通信系统的要求‘４｜，提出了一

采用有限元为基础的电磁仿真软件计算，图６一图８为辐射方向图的计算与实际测试数据。

４０３５３０￡每２５

≯２０１５１０

频率，

图７天线驻波种借助现有计算软件快速设计谐振式四臂螺旋天线的新方法。与传统设计方法比较此方法快速准确，可节省大量人力、物力，计算数据与实测数据具有良好的一致性。该天线已批量用于实际工程当中。

参考文献ｌ王家勇，王昌复，梁旭文，等．低轨道小卫星通信中谐振式四臂螺旋天线的应用研究［Ｊ］．电子学报，２００２，３０（１２）：１８６５一１８６６．２Ｋｉｌｇｕ８ｃＣ．Ｒｅ基ｌｏ啪ｔＱｕａｄ一６】ａｒＨｅｌｉ】【［Ｊ］．ＩＥＥＥ’ｎ锄，１９６９，ＡＰ—１７：３４９—３５１．３ＡｎｔｅｌｍＡＴ．Ｏ面Ｉｎｉｚａｔｉ∞ｏｆⅡｌｅＱｌ珊ｄ诚ｌａｒＨｅｈｘＡｎ【ｅｒｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒ哪，１９ｒ７４，ＡＰ一２２：１７３—１７８．４藤本共荣，詹姆斯ＪＲ移动天线系统手册［Ｍ］．北京．人民邮电出版社，１９９７．５杨林．宽带印刷阵子的分析与设计［Ｊ］．火控雷达技术，１９９６，６（２５）：１５—２１．＋·■——■——■＿—＋—＋—■——■——■——■叶－＋—＿．－—忡＋·＋—■Ｈ—Ｈ·■—－＋—．．－—一．＿—¨—＋—■——＿．—·■—————●——＋—＋·—－—■——＿．—·■——＋－■——．．·—．．·—．．叫—＋—·———＋（上接第３８页）３结束语文中介绍了一种缝隙耦合的二元宽波束微带贴片天线，主要是通过缝隙耦合满足带宽要求，再通过调节贴片宽度、地板宽度来实现宽波束。在设计仿真的基础上做出了实物并已应用。但考虑到应用环境的特殊性，天线的结构尺寸，尤其是剖面有待进一步降低。参考文献１鲍尔ＩＪ。布哈蒂亚Ｐ．微带天线［Ｍ］．梁联倬，寇廷辉，译．北京：电子工业出版社，１９８４．２魏文元．阵列天线［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，１９８９．３车任信．基于时域有限差分法的口径耦合微带天线的研究［Ｊ］．微波学报，２００６，２２（１）：３９—４３．４高式昌，钟顺时．口径耦合微带天线的数值分析［Ｊ］．上海大学学报（自然科学版），１９９８，６（４）：６６９—６７２．５顾其诤．微波集成电路设计［Ｍ］．北京：人民邮电出版社．１９ｒ７８．电子科技／２００７年１２月１５日钳ＯＯＯ０ＯＯ之４４之ＯＯＯＯＯＯＯＯｏ之４４之ｏ

　万方数据