平面行波串饋寬帶頻掃天線
1引言
近年來,隨著現(xiàn)代無線通信技術的高速發(fā)展,微帶天線以其重量輕、成本低、易集成等諸多優(yōu)點,日益受到人們的青睞。但是微帶天線帶寬較窄,相對帶寬一般只有1%~5%,因而在實際應用中受到了一定的限制。因此,如何展寬微帶天線帶寬具有十分重要的意義。THOMASMETZLER制作了一個5mm長,采用26個相似微帶貼片諧振單元的行波串饋天線,在1.40~1.43GHz頻帶內,天線增益21.5dB,天線掃描角度2度。本文采用18個相似微帶矩形貼片諧振單元行波串饋結構,在22.0-25.0GHz頻帶內實現(xiàn)寬帶掃頻特性,天線掃描角度20.8度。
2天線設計
本文采用18個相似微帶矩形貼片諧振單元結構,通過高阻線串聯(lián)饋電,饋電結構簡單,易于電路集成。單個矩形貼片諧振單元結構如圖1所示。在天線設計時,有許多關鍵的設計參數(shù),如饋線寬度W_feed、貼片寬度W_patch、饋線長度L_feed、貼片長度L_patch等,下面將對這些關鍵參數(shù)進行詳細分析。
圖1矩形貼片諧振單元
2.1天線寬頻帶設計——饋線寬度W_feed和貼片寬度W_patch
天線饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio(=W_feed/W_patch)控制著饋線與貼片之間的耦合度。每個貼片單元可以看成是一個包含輸入端和輸出端的二端口網(wǎng)絡,端口阻抗由帶線的特征阻抗決定。增大饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio,可以減小該諧振單元的Q值,從而增大天線帶寬[3]。但是天線輻射效率幾乎與貼片寬度成正比,增大饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio,貼片寬度將相對減小,從而天線輻射效率也將隨之減小。這樣就需要對天線帶寬與天線輻射效率之間有個權衡,來確定饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio。
為了解決天線帶寬和天線輻射效率之間的矛盾,本文采用了一種饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio漸變的結構,如圖2所示。多個W_Ratio逐漸減小的貼片單元串聯(lián)級聯(lián)在一起,構成貼片天線陣列。在靠近天線輸入端,饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio較大,有利于實現(xiàn)寬帶匹配,展寬天線帶寬。在靠近天線終端,饋線寬度和貼片寬度比W_Ratio較小,貼片寬度相對較大,有利于提高天線輻射效率。
圖2平面陣列天線結構示意圖
2.2天線頻掃設計——饋線長度L_feed和貼片長度L_patch
微帶貼片天線有兩種類型的TEM傳輸線天線:
1)天線終端接匹配負載的行波天線;
2)天線終端為開路或短路的駐波天線。
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