1、引言

眾所周知，在各種實際應用中，往往要求天線具有高增益、高功率、低旁瓣、波束控制等特性。由于天線陣可以獲得這些特性，從而使得陣技術在實際中獲得廣泛的應用。上世紀70年代以后，隨著微帶天線的出現(xiàn)和發(fā)展，人們對微帶線饋電的微帶天線陣產(chǎn)生了濃厚的興趣。其優(yōu)點主要有：

(1)結構簡單，易于制作和生產(chǎn);
(2)重量輕，體積小，成本低;
(3)剖面薄，易共形;
(4)易于實現(xiàn)多極化、變極化和雙頻工作;
(5)饋電網(wǎng)絡可以和微帶天線元集成在同一介質基片上。

微帶天線陣的饋電主要有并聯(lián)和串聯(lián)兩種形式。和并饋相比，串聯(lián)饋電電路簡單，天線效率高，且空間利用性好。另外，按工作原理，微帶天線可以分為諧振型(駐波型)和非諧振型(行波型)兩類[2]。通常駐波天線為邊射且效率較高。而行波天線可以設計成從后射到端射之間任一方向，但由于微帶終端要接匹配負載，所以影響天線的輻射效率。本設計采取串聯(lián)饋電的方式，設計一種工作在ka波段(要求35.5GHz～36GHz)的諧振式微帶全向天線。

2、貼片單元與陣列的設計與仿真

因為天線工作在毫米波段，為了減小表面波的影響，故采用厚度較薄的介質基片。另外，微帶貼片天線應采 用介電常數(shù)較低的基片，故采用純聚四氟乙烯基片，其基本參數(shù)：

圖1 基本貼片單元結構

所以，基本貼片的設計如圖1所示：

圖2 全向天線結構圖

本設計要求天線工作在垂直極化方式，且要求方向圖水平方向不圓度，垂直方向波束寬度，天線增益。根據(jù)上述要求，組成圖2所示全向天線。圖中正反兩面的貼片單元交替出現(xiàn)，貼片長度和貼片間距均為L，其值大約為。傳輸線輸入阻抗為，其寬度為3.07 mm。采用CST MICROWAVE STUDIO軟件對模型進行仿真、優(yōu)化。最終得出以下數(shù)據(jù)： 傳輸線寬度3.07mm，貼片寬度6mm，貼片長度及間距2.86mm。仿真過程中，為了改善天線方向圖特性，使振子1的寬度略小一些。 仿真得到天線方向圖特性如圖3所示。從仿真結果中可以得到天線E面波束寬度為，H面不圓度，天線增益為。符合設計要求。

圖3 天線仿真方向圖

但是，這種形式的天線駐波比較差。為了改善天線駐波特性，在天線正面?zhèn)鬏斁€始端串聯(lián)了阻抗匹配線(見圖4)，其寬度和長度均為1.5mm。在仿真過程中需要逐漸改變匹配線的位置來找到最佳的匹配點。圖5顯示了加匹配線后天線的回波損耗特性。

圖4 匹配后線正面示圖

圖5 天線回波損耗仿真圖

不過，加入阻抗匹配線雖然可以改善駐波特性，但是由于天線工作頻率比較高，所以匹配線的不連續(xù)處也會產(chǎn)生輻射，從而影響天線方向圖特性。尤其是會使圖3(b)中方向不圓度會變差()。這些我們會在最后的實測過程中解決。

3、仿真與實測結果的比較

按照上述設計制作微帶板及饋電接頭，做實測實驗。用Hp8757A標量網(wǎng)絡分析儀測量天線駐波，其電壓駐波比在35.5GHz～36GHz的范圍內小于1.5(見圖6).

圖6 天線實測駐波曲線

而在測量天線方向圖時為了解決上面提到的阻抗匹配線的結構不連續(xù)引起的方向圖變差的問題。在實驗中可以金屬箔將其屏蔽，這樣就既不影響天線駐波特性，也可以獲得較理想的方向圖。

使用西安恒達微波技術公司天線測試系統(tǒng)，實測天線方向圖如圖7。不過，由于天線的工作頻率較高，從而對加工及安裝精度很高。可能由于基片表面平整性不夠好、加工精度不夠高及測試環(huán)境的非理想等原因，實測結果和仿真值及設計要求有較大差距，尤其是不圓度指標和旁瓣電平較差。另外，不圓度曲線也不夠平坦。其他特性和仿真結果基本吻合。由于時間關系，改進天線方向圖特性的工作將在以后繼續(xù)進行。

(a)E面方向圖

(b)H面方向圖

圖7 天線實測E面、H面方向圖