[发明专利]宽带微带天线阵列耦合结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种微带天线阵列结构，尤其是一种小型的孔径耦合的微带贴片天线阵列，以及针对这种天线阵列的快速调试方法。

背景技术

微带天线是七十年代初期研制成功的一种新型天线，与常用微波天线相比，它具有体积小、重量轻、低剖面、能与载体共形、制造简单、成本低、易于和微带线路集成以及相同结构的微带天线可以组成阵列获得高增益等特点。目前以微带贴片天线作为辐射单元构成的微带天线阵列已经大量地应用在飞行器和地面手持系统的无线电设备中。由于微带天线所固有的带宽窄、功率小等缺点，传统上一般微带天线的工作带宽都远低于实际要求。目前主流微带贴片天线的设计主要采用层叠贴片、缝隙耦合结构等来保证一定频带宽度，同时可以获得高隔离性能。然而微带贴片所引入的附加电容将产生较大的电抗功率，进而减小了天线的工作带宽，这种馈电结构容易产生表面波激励。电磁耦合馈电大体上可以分成3类:直接耦合馈电、缝隙耦合馈电和共面波导馈电。直接耦合馈电结构采用了双层介质，馈电结构放置于两层介质之问，通过电磁耦合产生激励。这种馈电方式除了具有一般耦合馈电的优点以外，更由于馈线位于微带贴片下方，从而可分别调整馈线和贴片各自的衬底介质参数和厚度以实现最佳设计。设计这种天线时，选择馈电线的位置，可以达到阻抗匹配的目的；选择合适的介质参数可以减小馈电结构对辐射单元的干扰，同时增大带宽。它的主要缺点有两个，第一是增加了精确分析设计的难度，因为此时涉及两层不同的介质基片，从而常规单层微带天线的简便模型不再适用。第二，由于馈线与贴片处于不同平面，馈线不再处于开放平面，从而很难将有关元件与馈电电路实现连接。缝隙耦合馈电最初由D.M.Pozar等人提出，它将辐射单元和馈电单元分列于接地板两侧，用两层介质板支撑(贴片和地面之间的天线介质层、馈电线和地面之间的馈电介质层)，接地板上开一矩形缝隙。此时，微带馈线的能量通过接地板上的缝隙耦合到微带贴片上，与同轴线馈电相比，缝隙耦合馈电也可做到馈线与微带贴片之间有效地隔离或屏蔽，从而独立实现贴片和馈线的优化设计；同时，这种馈电结构还避免了馈线与微带贴片之间的直接焊接连接。由于馈电微带线处于开放平面，从而易于在其中插入所需元器件。缝隙耦合馈电结构具有很好的辐射和阻抗特性，目前应用十分广泛。缝隙耦合馈电方式的主要缺点是结构复杂，难于制作，因为它涉及位于导电接地板两侧的两层介质衬底，而且需要在接地板上开槽。在实际设计中，贴片和缝隙的形状有多种选择，比如，贴片可以选择为圆形、三角形、矩形或圆环等等，耦合缝可以为矩形，圆形、H形、L形或U字形等等。在缝隙耦合结构的设计中，涉及到十几个参量，包括各个介质层的选定、贴片的尺寸、耦合缝的尺寸和位置、馈电线的尺寸和相对位置等等，调整好各个参数可以获得良好的匹配和性能。根掘微带电路的等效传输线法，可以初步确定辐射贴片的几何尺寸(包括贴片与缝隙的长宽和馈线调谐枝节的长度)。共面波导耦合馈电同样采用缝隙耦合的方式实现能量传递，但采用共面波导(CPW)传输线做馈线，由于波导馈线的特殊性，馈电线位于接地面，省去了馈电介质层。综上所述的三种新型馈电方式皆采用了辐射与馈电不共面的设计，它们之间是通过电磁场耦合来传输能量的。缝隙耦合馈电的设计参数众多，在增加了设计自由度的同时，也加大了设计的难度。微带贴片天线是微带天线的一种，以其相对效率高、分析方法成熟而得到广泛的应用，但其频带窄的缺点限制了其应用领域。微带贴片天线的窄频特性，由其高Q的谐振本性所决定。这意味着，当在谐振时实现了匹配，而当频率偏离谐振时电抗分量急剧变动使之失配。展宽频带的方法可以由降低Q值的各个方面去探求，也可考虑用附加的匹配措施来实现。常用的方法有采用厚基板，采用较小或tanδ较大的基板，附加阻抗匹配网络，采用多层结构，在贴片或接地板“开窗”，非线性基板材料，非线性调整元件，楔形或阶梯形基板等，其中，最有效的常用方法是采用“开窗”孔径耦合的形式，馈电线通过耦合槽将能量馈送给贴片，再向自由空间辐射。由这种带耦合槽的微带贴片天线单元组成阵列时，各个耦合槽的长度都是相等的。这是由于在设计天线阵列时都是从设计天线单元开始，单元设计完成后还要在由相同单元组成的阵列中考查单元特性，对单元进行调整，直到满足工作带宽内的匹配要求和辐射特性。这是一项非常繁琐的工作，也是阵列天线设计的必经之路，从单元组成阵列角度看，所有单元相同，可以带来仿真建模及设计上的方便，对超大型阵列尤其如此(例如成百上千个天线单元)，但是对于小型口径耦合微带贴片天线阵列则限制了其参数调整的自由度，例如为得到较低的天线副瓣电平则需要调整每个单元馈电幅度分布，在等耦合槽情况下只能调整每个单元的馈电线的阻抗(反映在馈电线印制图形上是调整其宽度)，同时还要调整相应的馈电线阻抗变换段，这也是一个非常繁琐而且需要不断重复的设计过程，花费大量的时间和力气，结果还不一定能满足要求(有时会遇到馈电线非常细，已经无法进一步调整，而且较细的微带线加工时也会带来较大的加工误差)。