寬帶微帶天線陣列耦合結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種微帶天線陣列結構，尤其是一種小型的孔徑耦合的微帶貼片天線陣列，以及針對這種天線陣列的快速調試方法。
【背景技術】
[0002]微帶天線是七十年代初期研制成功的一種新型天線，與常用微波天線相比，它具有體積小、重量輕、低剖面、能與載體共形、制造簡單、成本低、易于和微帶線路集成以及相同結構的微帶天線可以組成陣列獲得高增益等特點。目前以微帶貼片天線作為輻射單元構成的微帶天線陣列已經大量地應用在飛行器和地面手持系統的無線電設備中。由于微帶天線所固有的帶寬窄、功率小等缺點，傳統上一般微帶天線的工作帶寬都遠低于實際要求。目前主流微帶貼片天線的設計主要采用層疊貼片、縫隙耦合結構等來保證一定頻帶寬度，同時可以獲得高隔離性能。然而微帶貼片所引入的附加電容將產生較大的電抗功率，進而減小了天線的工作帶寬，這種饋電結構容易產生表面波激勵。電磁耦合饋電大體上可以分成3類:直接耦合饋電、縫隙耦合饋電和共面波導饋電。直接耦合饋電結構采用了雙層介質，饋電結構放置于兩層介質之問，通過電磁耦合產生激勵。這種饋電方式除了具有一般耦合饋電的優點以外，更由于饋線位于微帶貼片下方，從而可分別調整饋線和貼片各自的襯底介質參數和厚度以實現最佳設計。設計這種天線時，選擇饋電線的位置，可以達到阻抗匹配的目的；選擇合適的介質參數可以減小饋電結構對輻射單元的干擾，同時增大帶寬。它的主要缺點有兩個，第一是增加了精確分析設計的難度，因為此時涉及兩層不同的介質基片，從而常規單層微帶天線的簡便模型不再適用。第二，由于饋線與貼片處于不同平面，饋線不再處于開放平面，從而很難將有關元件與饋電電路實現連接。縫隙耦合饋電最初由D.M.Pozar等人提出，它將輻射單元和饋電單元分列于接地板兩側，用兩層介質板支撐(貼片和地面之間的天線介質層、饋電線和地面之間的饋電介質層)，接地板上開一矩形縫隙。此時，微帶饋線的能量通過接地板上的縫隙耦合到微帶貼片上，與同軸線饋電相比，縫隙耦合饋電也可做到饋線與微帶貼片之間有效地隔離或屏蔽，從而獨立實現貼片和饋線的優化設計；同時，這種饋電結構還避免了饋線與微帶貼片之間的直接焊接連接。由于饋電微帶線處于開放平面，從而易于在其中插入所需元器件。縫隙耦合饋電結構具有很好的輻射和阻抗特性，目前應用十分廣泛。縫隙耦合饋電方式的主要缺點是結構復雜，難于制作，因為它涉及位于導電接地板兩側的兩層介質襯底，而且需要在接地板上開槽。在實際設計中，貼片和縫隙的形狀有多種選擇，比如，貼片可以選擇為圓形、三角形、矩形或圓環等等，耦合縫可以為矩形，圓形、H形、L形或U字形等等。在縫隙耦合結構的設計中，涉及到十幾個參量，包括各個介質層的選定、貼片的尺寸、耦合縫的尺寸和位置、饋電線的尺寸和相對位置等等，調整好各個參數可以獲得良好的匹配和性能。根掘微帶電路的等效傳輸線法，可以初步確定輻射貼片的幾何尺寸(包括貼片與縫隙的長寬和饋線調諧枝節的長度)。共面波導耦合饋電同樣采用縫隙耦合的方式實現能量傳遞，但采用共面波導(CPW)傳輸線做饋線，由于波導饋線的特殊性，饋電線位于接地面，省去了饋電介質層。綜上所述的三種新型饋電方式皆采用了輻射與饋電不共面的設計，它們之間是通過電磁場耦合來傳輸能量的。縫隙耦合饋電的設計參數眾多，在增加了設計自由度的同時，也加大了設計的難度。微帶貼片天線是微帶天線的一種，以其相對效率高、分析方法成熟而得到廣泛的應用，但其頻帶窄的缺點限制了其應用領域。微帶貼片天線的窄頻特性，由其高Q的諧振本性所決定。這意味著，當在諧振時實現了匹配，而當頻率偏離諧振時電抗分量急劇變動使之失配。展寬頻帶的方法可以由降低Q值的各個方面去探求，也可考慮用附加的匹配措施來實現。常用的方法有采用厚基板，采用較小或tan δ較大的基板，附加阻抗匹配網絡，采用多層結構，在貼片或接地板“開窗”，非線性基板材料，非線性調整元件，楔形或階梯形基板等，其中，最有效的常用方法是采用“開窗”孔徑耦合的形式，饋電線通過耦合槽將能量饋送給貼片，再向自由空間輻射。由這種帶耦合槽的微帶貼片天線單元組成陣列時，各個耦合槽的長度都是相等的。這是由于在設計天線陣列時都是從設計天線單元開始，單元設計完成后還要在由相同單元組成的陣列中考查單元特性，對單元進行調整，直到滿足工作帶寬內的匹配要求和輻射特性。這是一項非常繁瑣的工作，也是陣列天線設計的必經之路，從單元組成陣列角度看，所有單元相同，可以帶來仿真建模及設計上的方便，對超大型陣列尤其如此(例如成百上千個天線單元)，但是對于小型口徑耦合微帶貼片天線陣列則限制了其參數調整的自由度，例如為得到較低的天線副瓣電平則需要調整每個單元饋電幅度分布，在等耦合槽情況下只能調整每個單元的饋電線的阻抗(反映在饋電線印制圖形上是調整其寬度)，同時還要調整相應的饋電線阻抗變換段，這也是一個非常繁瑣而且需要不斷重復的設計過程，花費大量的時間和力氣，結果還不一定能滿足要求(有時會遇到饋電線非常細，已經無法進一步調整，而且較細的微帶線加工時也會帶來較大的加工誤差)。
[0003]天線使用時一般都要求有較低的副瓣電平，為達到低副瓣目的，一般都是對功分饋電網絡進行幅度加權設計(例如采用泰勒分布、契比雪夫分布等)。但是這種經典的設計方法并沒有考慮互耦的影響，因此通過功分網絡實際饋送到天線單元端口的能量幅度分布與理想的加權函數形式是有誤差的，另外，實際加工出來的天線往往與仿真計算的結果出入很大，從而使加工出來的天線難以滿足要求。常用的解決辦法是通過調整饋電線的尺寸達到減小誤差的目的，但是正如前面所述，饋電線尺寸的調整很繁瑣，費時費力，尤其是在新天線研發時，要反復修改設計，甚至通過幾輪樣機試制，才能滿足要求，浪費大量研制時間和研制成本。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是針對現有技術存在的不足之處，提供一種結構簡單、設計調試過程方便快捷、能夠有效地降低天線副瓣電平、節省研制時間和研制成本的新型寬頻帶微帶貼片天線陣列(相對帶寬為13% )。
[0005]本發明采用如下技術方案:一種寬帶微帶天線陣列饋電耦合結構，包括微帶貼片天線陣列本體，其特征在于:所述微帶貼片天線陣列本體由設置在介質支撐9上的數個縱向排列的天線輻射單元組成，每個天線單元的輻射貼片I下方都設置有耦合槽3，每個輻射貼片I下方的耦合槽3從左至右依次排列，各個天線輻射單元耦合槽的長度沿微帶貼片天線陣列本體的長度方向，由中間向兩端遞減，形成耦合槽長度漸變的口徑耦合形式，其中設有相同長度耦合槽的天線輻射單元在陣列本體上成對設置，從左至右排列的兩兩對稱的成對耦合槽長度相等，各個天線輻射單元由垂直通過耦合槽3的單元饋電線6進行饋電，單元饋電線6與功分饋電網絡8連接形成一體化的饋電結構。該技術方案中耦合槽的漸變在仿真建模時即可完成，然后采用仿真軟件進行優化計算，而不需要再對饋電線的各項參數進行優化計算(例如單元饋電線6的寬度、單元饋電線6超出耦合槽的長度、功分饋電網絡8所有微帶線各個枝節的寬度等)，從而達到事半功倍的目的。對于加工好的實際天線陣列，在實測駐波不理想的情況下(即匹配不好)可以采用銅箔膠帶對單元饋電線6超出耦合槽的長度進行調整(即使用裁剪好的與單元饋電線6同等寬度的銅箔膠帶貼敷于單元饋電線6的上方以達到改變單元饋電線6長度的目的)，每調整一次單元饋電線6的長度就采用網絡分析儀測量一次駐波值，直到實測的駐波值滿足要求為止。
[0006]本發明相比于現有技術具有如下有益效果。
[0007]本發明結構簡單，采用新穎的耦合槽長度漸變的口徑耦合形式，簡化了饋電線的調整(仿真設計階段饋電線未進行調整)，加快了設計過程，使得天線輻射特性在全帶寬內很好地滿足天線指標要求。針對加工好的天線實物，采用銅箔膠帶對饋電線進行簡單的調整，使得天線陣列的匹配特性(即駐波性能)滿足使用要求，整個調試過程僅花費兩天時間就能達到目的。
[0008]本發明各個耦合槽長度采用由中間向兩端遞減，相當于改變了饋電線耦合到貼片的激勵電流，有效地降低了天線副瓣電平，比起調整饋電網絡來簡單方便，還更有效。對比試驗結果表明，6個耦合槽長度均為56毫米的樣機天線，其頻帶內駐波系數VSWR最大值達到了 7.0，采用ANSOFT HFSS軟件仿真計算得到加工尺寸數據，其頻帶內副瓣電平