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1×4微带贴片天线阵的分析与设计
王谦
（国家新出版广电总局九五二台，四川宜宾644400）
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摘要：微带天线具有计多优点，如体积小、重量轻、剖面蒋、容易与载体共形、与集成电路的兼客性好、易于大批量制作等，在近几十年中得到了广逐的应用。但其主要缺点是频较窄，固而限制了它更广滤的应用，针对于此，本文提出了引入直线阵的方法，并进行了深入分析和讨论
关键词：宽频带；微带天线；直线阵
对天线的尺寸、体积重量、方向性特性、频带及效率等性能有着直接
在无线电技术领域，对于信息的传输，天线的作用是不可缺少
的。由于微带贴片天线逐渐向宽带、小型化、结构简单的方向发展，所以在宽带微带天线的设计中，应考虑增加带宽的同时不应使天线的尺寸过大或结构过于复杂，否则将增加天线制作和分析的难度本文采用引人直线阵方法来展宽天线的频带，既可展宽天线的频带，也不会使天线的结构过于复杂。为了解决软件无线电所需的觉频带天线，本文将给出了1×4宽带微带天线阵一个完整的设计过程，利用计算机辅助，设计出一个中心颠率在6GH左右，带宽大于 4%单个微带天线，
1微带天线的分析方法
天线分析的基本间题是求解天线在周围空间建立的电磁场，求得电磁场后.进面得出其方向图、增益和输入阻抗等特性指标。微带天线的分析方法主要分为两大类：基于简化假设的近似方法和全波分析方法。全波分析方法有更好的适应性和更高的精度，但速度较慢。第一种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作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
21×4宽带微带天线阵的设计 2.1微带天线的技术指标
根据前面的理论分析，本文设计出的天线要达到以下几个技术指标：
2.1.1 中心频率:f =6GHz
2.1.2驻波比系数:VSRW<2.0 2.1.3颠带宽度：BW>4%：
2.1.4增益:G>5dB; 2.1.5输人阻抗：50， 2.2宽带的实现
解决微带天线的带宽间题是现代天线技术的关键。这里所谓的宽带微带天线，只是一个相对的说法，它是指相对于普通微带天线而言，其带宽较宽。与其它以借频程计带宽的天线来讲，微带天线仍属于窄带天线
本课题要求的中心频率在6GHz左右，当驻波比系数VSRW=2 时，相对带宽BW>4%：要展宽微带天线的带宽，主要应从降低天线的0值着手，主要途径有两条：一是采用介电常数较低的介质材料作为微带天线的基板；二是增大基板的厚度。但是，降低天线基板的介电常数是有限度的：同样，厚度的增加不但使重量增加，面且破坏了低剖面特性，这在某些飞行器天线的应用中是不可取的。因此，可以引人天线阵的方法，从而使频带变宽。
2.3微带天线形式的选择
根据技术指标要求，天线应具有宽频带、高增益的特性。常用的线极化微带贴片天线主要有三角形、形和矩形三种形式。三角形微带贴片的E面和H面波束宽度都很宽，但是其工作带宽较窄，且增益是三种贴片形式中最低的，无法满足指标要求，所以三角形微带贴片不予采用。圆形贴片增益最高，但是H面波束宽度案，典型值只能达到80，也无法满足指标要求。而矩形微带贴片的H面波束宽度典型值可达到120°，且增益较高。所以，我们最终选择矩形微带贴片形式，
2.4介质基片的选取
设计微带天线的第一步是选择合适的基片，基片材料板一般由低损耗介质单面或双面数铜、数铝或数金组成。基片材料一股有聚四氟乙、聚苯乙烯、陶瓷等。基板材料的er和tan值及其厚度
的影响。这几种因素中有的是互相制约的，事实上不存在各方面都理想的基板材料，而主要是根据应用的具体要求来权衡选定
这里选用矩形贴片，贴片和接地板材料选用铜：介质层上层为聚四氟乙烯，其介电常数er=2.55,损耗角正切tang=0.0015，厚度 h=1.6mm
2.5单元宽度W的选取
在确定介质基板材料及其厚度h以后，应首先确定单元宽度w 的尺寸。在安装尺寸允许的条件下，w适当取得大一些，对频带、效率以及阻抗匹配都有利。但当w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。对于介质基片厚度为h，天线的工作颠率为的辐射器，其适用宽度为
F-(s+) 22
本文所设计的天线的中心频率为6GHz，由此计算得出W=17 86mm
2.6单元长度L的计算
在确定矩形微带贴片单元形式和介质基片参数er，tan和h之后，就可以决定贴片单元的宽度W。固为对于工作于主模TM01模的矩形微带贴片天线长度近似为入g/2，而介质内的波长为5=/
矩形微带天线的长度L的取值，应略小于半波长。因为实际上，由于辐射端电力线的变形，将等效为一定的分布电容。该分布电客在传输线理论中又等效为一段传输线长度△L。故在设计时，应从理论上要求的半波长入/2减去两端的△L，即实际长度
L=2(2-24
或
L
-24
2f.e
由此计算出天线的单元长度为L=14.6mm 2.7基板尺寸的确定
根据液晶射频场显示研究结果分析表明，辐射口径场集中在辐射边附近很小的区域内，介质和接地板过多地向外延伸对这种场的分布没有明显的影响。在较低频段工作时，由于辐射板的尺寸本来就较大，所以从减小天线装尺寸和减小重量及降低成本角度出发，基片的尺寸的选取应尽可能小。实验表明浩辐射元各边向外延伸尽入g/10就可以了。固此对于侧馈情况，基片长度可取LG=L+0. 2入g，基片宽度可取WG=W+0.2入g：而长度则视馈线及阻抗变换器的配置而定。这里选择侧馈，所以计算得出，LG=125mm WG=105mm
2.8馈电方式的确定
矩形微带天线的馈电方式基本上分成侧馈和背馈两种，当工作于相同频率时，侧馈所需的面积大于背馈。当矩形微带天线作为独立的天线应用时，背馈方式是常被采用的；而当它作为单板微带天线阵的阵元时，又势必采用侧馈。这里设计单板微带天线阵，所以选择侧馈的方式，这样必需设计好各个环节的匹配网络，这样天线阵才能够有效地辐射馈源所馈给的电磁波能量或接收到达空间的电磁波能量
2.9天线阵的示意图及各项仿真指标（图1-5）
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