一种串联馈电式超宽带天线阵列研究_隋耀宗.pdf

第 卷 第期青 岛 大 学 学 报（工 程 技 术 版）年 月 （）文章编号：（）；：一种串联馈电式超宽带天线阵列研究隋耀宗，宗卫华，刘广睿，李坤（青岛大学电子信息学院，山东 青岛 ）摘要：为了实现高效辐射性能，本文对一种串联馈电式超宽带天线阵列进行研究设计。该阵列天线以 厚的柔性聚酰亚胺为衬底材料，由个超宽带单元天线和个金属反射板构成。天线单元含有缝隙结构，通过串联方式进行连接，并采用共面波导馈电获得超宽带特性，天线下方放置金属反射板，以获得定向辐射特性。同时，采用电磁仿真软件高频结构仿真器（，）对所设计的天线阵列进行建模仿真和设计分析。仿真结果表明，天线阵列的仿真带宽为 ，测试带宽为 ，覆盖超宽带 频段。天线在工作频段内保持良好的方向性，在 时，获得最大测试增益为 ，仿真增益为 ，说明天线带宽与方向图增益等性能均与仿真结果相吻合。本文设计的天线面积为 ，天线与放射板间距为，具有高增益、尺寸小、质量轻等性能，适用于小型超宽带终端设备。该研究为柔性超宽带频段的阵列设计提供了理论基础。关键词：天线阵列；超宽带；定向辐射；低剖面；柔性天线中图分类号：文献标识码：收稿日期：；修回日期：基金项目：山东省自然科学基金资助项目（）作者简介：隋耀宗（），男，硕士研究生，主要研究方向为天线设计。通信作者：宗卫华（），女，博士，副教授，主要研究方向为天线设计。：随着无线通信技术和雷达技术的飞速发展，为了高效的辐射和接收无线电磁波，小型化、低剖面天线阵列 得到广泛应用。与单天线相比，天线阵列增益高，建网成本更低。由于超宽带（，）技术提供了 的超宽带宽和短距离的高速传输，因此被广泛用于室内外定位、雷达成像和无线数据采集等无线通信系统。等人 采用不同尺寸的辐射单元，串联组成天线阵列 ，辐射方向图具有较小副瓣和良好的指向性，增益较高；等人 提出了一种带有寄生贴片的四元 串联天线阵列，获得了较 高增益，其 最大 增 益 达 。近 年 来，电磁带隙（，）结构 和超材料（，）能够有效实现天线单向辐射和低剖面设计。基于此，本文设计了一种超宽带天线阵列，采用完整的金属反射板加载到天线背面，以获得定向辐射特性。该设计为的阵列天线，采用串联方式连接，并以共面波导（，）馈电。仿真结果表明，天线获得超宽的带宽 ，覆盖 频段，在整个工作频段内，天线方向图指向性良好，增益较高，最大增益可达 。在实物测试中，带宽为 ，最大增益为 。本文设计的天线具有高增益、质量轻、易弯曲性能，适用于小型、柔性超宽带终端设备。该研究为柔性超宽带频段的阵列设计提供了一种思路。天线结构设计超宽带天线阵列结构如图所示。图 包括超宽带阵列天线和下方的金属反射板，天线印刷在 厚的聚酰亚胺（，）衬底上，金属反射板尺寸为 ，位于天线下方 处，用来实现定向辐射，并提高最大辐射增益；图 中，辐射贴片为的阵列结构，圆形阵列单元第期隋耀宗，等：一种串联馈电式超宽带天线阵列研究之间通过串联方式连接，并通过共面波导方式馈电，获得超宽带特性。每个阵列单元上刻有条型缝隙，用来延长电流路径，拓宽带宽。天线尺寸参数为：衬底宽度 ，衬底长度 ，阵元直径 ，阵元间距 ，单侧接地板宽度 ，接地板高度 ，微带线尺度 ，微带线与接地板间缝隙宽度 ，型缝隙宽度 ，型缝隙横向部分长度，型缝隙锯齿部分长度 。图超宽带天线阵列结构图型缝隙对天线带宽的影响 天线仿真与结果分析型缝隙的仿真分析本文采用电磁仿真软件 对天线阵列进行仿真分析。对未加载反射板的超宽带天线进行仿真，型缝隙对天线带宽的影响如图所示。由图可以看出，在较低频率处，工作带宽的左边界从 降到 ；在较高频率处，带宽右边界从 提高到 。加载型缝隙可以拓宽天线带宽，覆盖频段。阵元间距和横截高度分析本文采用串联馈电方式设计天线阵列，阵元之间通过一段微带线连接。为分析阵元间距对天线带宽的影响，本文对不同阵元间距情况进行仿真，不同阵元间距天线反射系数曲线如图所示。金属反射板的使用使天线转换为定向辐射天线，调整天线与反射板之间的距离，会对天线带宽及增益产生影响。在不影响带宽的情况下使用反射板，天线高度越低，增益较高。为获得最低剖面高度，仿真不同高度下天线的反射系数变化，不同高度天线的反射系数曲线如图所示。图不同阵元间距天线反射系数曲线图不同高度天线的反射系数曲线青 岛 大 学 学 报（工 程 技 术 版）第 卷由图可以看出，随着间距的变化，反射系数曲线出现偏移，但带宽变化不明显，当 时，带宽较宽。经过后续对辐射方向图的仿真，发现阵元间距对辐射方向图影响较大。综合考虑，当 时，天线 带宽较宽，覆盖 频段，且方向图有较明显的指向性，增益较高。由图可以看出，随着横截高度的减小，天线 逐渐升高。当，时，天线在 附近的反射系数高于 ，带宽较窄；当 时，天线 带宽最宽，且覆盖 频段。测试结果分析 曲线测试与仿真对比根据天线结构图制作超宽带天线阵列，超宽带天线阵列实物图如图所示。采用矢量网络分析仪对天线进行测试，实际测试与仿真的反射系数曲线如图所示。由图可以看出，测试结果与仿真结果基本吻合，测试的 带宽为 ，仿真的 带宽 ，该差异由加工误差引起，可以覆盖 频段。图超宽带天线阵列实物图图实物测试与仿真反射系数曲线方向图测试在自由空间中，采用两天线法测量天线方向图，处的天线方向如图所示，处的天线方向如图所示，处的天线方向如图所示。由图图的 面方向图可以看出，天线辐射分布在方向上，副瓣较少，具有较好的指向性；从 面方向图可以看出，随着工作频率的升高，方向图出现副瓣增多的现象，最大辐射方向偏离方向 以内，能够大致保持方向性。方向图的裂瓣现象在宽带天线的较高频率处比较常见，这是由于频率的升高，波长变短，而天线本身的尺寸维持不变，导致高频方向图出现裂瓣 。天线在 ，频率处，测试的最大增益分别为 ，仿真的最大增益分别为 ，二者稍有差异，可能由于测试环境和方法误差导致。图 处的天线方向第期隋耀宗，等：一种串联馈电式超宽带天线阵列研究图 处的天线方向图 处的天线方向 结束语本文设计了一种柔性超宽带天线阵列，具有 的超宽带宽，覆盖频段。该天线通过在阵列下方放置金属反射板，形成定向辐射，提高了天线的增益，并且在频段内获得良好的方向性。测试结果表明，天线的最大增益高于 ，可应用于小型超宽带终端设备，易于与设备共形安装。该设计为柔性超宽带频段的阵列设计提供了一种思路，随着频率的升高，天线方向图出现裂瓣现象，副瓣增多，集束能力变差，因此，接下来的研究重点是调整阵列连接方式以获得更强的集束能力。参考文献：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：青 岛 大 学 学 报（工 程 技 术 版）第 卷 ，（），：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：徐瑶俊，樊雪婷，郭庆功 超宽带斜极化水平全向天线设计电子测试，（）：陈盛嘉，陈星超宽带双极化交叉偶极子天线设计太赫兹科学与电子信息学报，（）：，刘腾元，杜宝晨，屈晓斌一种低剖面紧耦合超宽带天线设计太赫兹科学与电子信息学报，（）：，（）：，（，）：（）（），：；