2015, Vol. 44
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微带天线阵已经广泛应用于飞机、航天飞行器、人造卫星、导弹、雷达以及无线通信系统中[1, 2, 3, 4]。作为阵列单元的微带天线具有诸如重量轻、成本低、加工容易、易于批量生产、便于与平面或曲面的载体共形[5, 6]等特点，这些特性提供了更多的设计和应用自由度。但是传统微带天线的推广应用受到其固有缺点——工作频带窄的制约，其相对带宽的典型值只有1%～2%[7]。研究人员已经开发了许多增大频带宽度的技术，其中耦合馈电技术可以有效地扩展微带天线的工作频带[8, 9]。该技术采用两块介质基片，在辐射贴片和接地板之间布置馈电网络。通过重叠两块介质基片增大了介质层的厚度，从而增大了天线的工作带宽。同时这种结构还提供了可以选择不同介电常数的两块介质基片组成天线的机会，一块基片印刷上辐射贴片，另一块印刷上馈电网络，辐射贴片和馈电网络共用一个接地板。辐射贴片和馈电网络可以分别进行优化设计以满足天线的指标要求。
本文提出了一种耦合馈电微带天线阵，辐射单元下方的接地板上开有一个槽，这是本文的设计与其他耦合馈电微带天线阵的区别所在。天线阵列工作在中心频率为2.4 GHz的ISM频段，单个单元的测量带宽约为4.6%，增益为4.0 dBi，比传统微带天线单元具有更大的带宽、更高的增益和更小的体积。另外，由于馈电网络与辐射贴片在不同的层面上，因此阵列结构得到压缩。接地板上的槽口尺寸、位置，馈电网络中馈电贴片的尺寸以及辐射贴片相对于两条轴线的位置都可以进行调整，以达到最佳的阻抗匹配。
1 天线单元设计本文提出的辐射单元的结构如图 1所示。
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| 图 1 天线结构图 |
设计过程中上下两层采用的材料均是相对介电常数为4.4、厚度为1.6mm的FR4材料，调整各位置尺寸：辐射贴片的尺寸为25.7 mmx40 mm；馈电贴片的尺寸为7 mmx16 mm，其位置与辐射贴片馈电侧边的距离为6 mm；50 Ω馈电微带的宽度为3 mm。接地板上开有一矩形槽口，槽口尺寸为2 mmx14 mm，其水平位置紧邻馈电贴片，如图 2所示。
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| 图 2 天线单元详细尺寸(单位：mm) |
阵元谐振在2.43GHz，天线相对带宽(VSWR<2)达到4.6%，增益为4.7 dBi。
为考察接地面开槽后对天线性能的影响，在原模型基础上去掉接地板开槽后再次进行仿真，在其他尺寸不变的条件下天线谐振频率为2.53 GHz，相对带宽3.5%，可见采取地平面开槽后天线尺寸有所减小，天线单元的工作带宽有所提高。具体仿真结果如图 3和图 4所示。
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| 图 3 开槽前后天线驻波比的变化 |
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| 图 4 开槽天线单元的辐射特性 |
为了进一步研究接地板开槽对天线尺寸缩减和阻抗带宽增加的量化效果，将不开槽的天线调谐到相同频率，其贴片尺寸增大到47.6 mmx28.3 mm，相对带宽3.2%；可见开槽后天线面积缩减了28%，相对带宽增加21.9%。
2 天线阵列设计阵列采用2x2结构设计，阵列结构如图 5所示，阵元水平间距为60 mm，垂直间距为30 mm，4个阵元之间采用微带线组成的功分网络连接，馈电网络与天线阵列的电磁仿真模型如图 6所示。
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| 图 5 阵列结构 |
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| 图 6 天线阵列仿真模型与馈电网络结构 |
为了比对接地板开槽对天线阵列的带宽影响，对两款阵列天线的带宽分别进行仿真，结果如图 7所示，开槽阵列的辐射特性仿真结果如图 8所示。
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| 图 7 加槽前后天线阵列的驻波比变化 |
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| 图 8 天线阵列的辐射特性 |
接地板未加槽时其带宽约为190 MHz，相对带宽7.8%；采用接地板加槽的天线单元后，其带宽宽展为290 MHz，相对带宽11%。组阵后天线增益提高到9.6 dBi，比理论值略低，其原因是馈电网络引入了少量的损耗。
3 天线实测结果与分析根据以上仿真结果制作的天线阵列实物如图 9所示。
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| 图 9 天线阵列实物 |
天线阵列的实测结果如图 10和图 11所示。
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| 图 10 天线阵列驻波比测试结果 |
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| 图 11 天线阵列辐射特性测试结果 |
实测结果显示增益为9.2 dBi，低于仿真结果0.4 dBi，天线相对带宽为10%，总体来说仿真和实测结果吻合较好。
初步分析接地板开槽后天线尺寸缩减的机理是：接地板上的槽引起天线贴片上电流路径弯曲，等效增加了电路路径长度，从而缩小了天线尺寸。为此对加槽前后天线贴片的电流分布进行了仿真，结果如图 12所示，可见接地板加槽后天线贴片上的电流确实发生了弯曲，从而验证了前面的假设；另外由于电流分布发生变化也导致谐振贴片的品质因数下降，从而拓展了天线带宽。
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| 图 12 天线贴片上电流分布的变化 |
本文设计了一种耦合馈电的微带天线，通过在 接地平面上开槽的方法缩小了天线尺寸，提高了天 线的工作带宽，通过对2×2阵列的仿真分析与天线实 测表明，仿真结果与实测结果之间对应关系较好， 证明耦合馈电结合接地板开槽可以有效提高天线工 作带宽并缩减天线体积。该方法具备结构简单、成 本低廉、易于批量生产等一系列优点，在通信领域 有广泛的应用前景。
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