12.5GHz 4×4微帶天線陣列的設(shè)計

　　隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，小型化、大容量的通信系統(tǒng)成為現(xiàn)在以至于為來的主要發(fā)展目標(biāo)。由于雙極化天線具有同頻段的雙通道通信、提高通信容量、實現(xiàn)雙工操作、可以提高系統(tǒng)靈敏度、抗多徑效應(yīng)等性能，從而日益得到人們的青睞。由于微帶貼片天線在饋電方式和極化制式的多樣化，以及饋電網(wǎng)絡(luò)、有源電路集成一體化等方面具有很多的優(yōu)點，從而采用雙極化天線成為提高通信容量的一種比較實際的做法。目前常用的雙極化工作方式主要有兩類，第一就是利用方貼片作為輻射單元，對方貼片天線采用正交邊雙饋電就能激勵一對極化方向相互垂直的輻射波。第二就是利用不同層的天線陣列分別實現(xiàn)不同的極化，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作困難，造價高。我們采用在同一平面上實現(xiàn)兩種極化方式，貼片單元的饋電方式卻不用改變。本文就是設(shè)計實現(xiàn)了這種雙極化微帶天線陣列的組陣單元-4×4天線陣列。

　　1 微帶天線陣列的設(shè)計

　　本文采用的貼片天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中圖(a)為天線結(jié)構(gòu)，由貼片層、介質(zhì)層和接地層組成。圖(b)為微帶貼片單元的基本結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整微帶貼片單元的饋電方式就可以實現(xiàn)水平、垂直極化兩種極化方式。圖(c)為最基本的組陣單元2×2的結(jié)構(gòu)圖。

　　圖1 貼片天線的基本結(jié)構(gòu)

　　設(shè)計過程中貼片層和接地層都采用銅，介質(zhì)層采用介電常數(shù)為2.2的Rogers RT/duroid 5880。根據(jù)天線工作的中心頻率12.5GHz，微帶貼片天線單元的長和寬、反饋部分的長寬、組陣單元之間的阻抗匹配以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)都可以通過計算或者仿真優(yōu)化得到。根據(jù)以上的計算及仿真數(shù)據(jù)，我們制成了天線的PCB板，4×4微帶天線陣列的實物圖如圖2所示。

　　圖2 4×4微帶天線陣列的實物圖

　　2 微帶天線陣列的仿真和測試結(jié)果

　　我們通過Ansoft HFSS仿真軟件對天線陣列首先進(jìn)行了仿真計算，圖3為4×4微帶天線陣列駐波和增益的仿真圖。從左圖的駐波仿真結(jié)果中，可以看到天線陣列在12.5GHz時的駐波為1.2左右;從右圖的增益仿真結(jié)果中可以看到，天線陣列的增益可以達(dá)到20dB左右。然后將制成的PCB板拿到微波暗室中對其進(jìn)行實際測試(暗室的長、寬、高分別為15m、9m和9m，用于測試的發(fā)送天線和接收天線的距離為10m，測試天線距離地面的高度為2.5m)。實際測試結(jié)果分別如圖4、圖5、圖6所示。其中圖4為天線陣列的駐波測試結(jié)果，圖5為天線陣列分別在12.25GHz、12.5GHz、12.75GHz時的E面方向圖。圖4為天線陣列分別在12.25GHz、12.5GHz、12.75GHz時的H面方向圖。表1為天線陣列在H面的實際測試數(shù)據(jù)。

　　圖3 4×4微帶天線陣列駐波和增益的仿真圖

　　圖4 4×4天線陣列的駐波實測圖

　　表1 天線陣列在H面的實際測試數(shù)據(jù)。

　　圖5 4×4天線陣列在12.25GHz、

　　12.5GHz、12.75GHz時的E面方向圖。

　　圖6 4×4天線陣列在12.25GHz、12.5GHz、

　　12.75GHz時的H面方向圖。

　　從實際測試結(jié)果中，我們可以看到12.5GHz時天線陣列的駐波小于2，中心點稍微有點偏移，實際的增益測試結(jié)果為19.24 dBi。實測結(jié)果與仿真結(jié)果之間雖然存在一定的差異，但是測試結(jié)果基本滿足設(shè)計的需求。這些差異的存在可能是天線制版因素，測試環(huán)境、測試方案、電纜接頭損耗等等實際狀況引起，這是實際制作中不能避免的因素。

　　3 結(jié)論

　　本文設(shè)計的雙極化相控陣天線基本組陣單元通過仿真、制作、加工和測試后，所得結(jié)果滿足實際的設(shè)計需求。為我們在同一層面上實現(xiàn)雙極化天線的設(shè)計打下了基礎(chǔ)，為以后新型雙極化相控陣天線的研究提供了可靠的理論和實踐依據(jù)。