現代無線通信飛度發展，技術革新日新月異，天線形式推陳出新。但一直以來，微帶天線以其剖面薄、重量輕、體積小、成本低和易于加工等優點而越來越得到研究者的青睞。但是，微帶天線最嚴重的缺陷是頻帶窄，其相對帶寬一般只有0.7%-7%，這限制了它在許多無線通信系統中的應用。因此，研究微帶天線的寬頻帶特性一直是天線工作者十分關心的問題。
在目前常用的展寬微帶天線帶寬的方法中，采用縫隙耦合饋電的雙層微帶天線是一種常用的結構。該天線在展寬天線帶寬的同時，具有結構穩定、剖面低、重量輕等結構特點，更重要的是，它十分適合作為陣列天線的天線單元使用：由于饋電系統與天線系統不在同一平面，并用地板隔開，一方面使得饋電網絡較為簡單，另一方面避免了饋電網絡對天線的寄生輻射影響。
本文設計的X波段寬帶微帶陣列天線的天線單元即是采用這種縫隙耦合饋電的雙層微帶天線。為了減小背向輻射，采用帶狀線作為天線單元的饋電線和陣列的饋電網絡。由于設計需求，陣列中心缺失單元，屬于不規則陣列，因此采用遺傳算法對陣列的權值分布進行了全局優化，以得到較低的副瓣電平。為了給天線陣列饋電，設計了一種新型的寬帶同軸線-帶狀線轉換器。
對天線進行了設計與仿真，并制作了天線實物，進行了測試。測試結果表明該天線的駐波帶寬(VSWR<2)達到了18%。在工作頻帶范圍(8.5%)內，增益大于22dBi，副瓣電平優于-18dB。測試與仿真結果吻合良好。
天線的設計
1.1 天線單元的設計
由于傳統的微帶貼片天線難以滿足相對工作帶寬8.5%的要求，因此天線單元采用了縫隙耦合饋電的雙層微帶天線。為減小地板開縫造成的后向輻射較大的問題，采用帶狀線為天線饋電。圖1為天線單元的結構示意圖。其中，第1、3、4、5層介質使用厚度為0.508mm的Rogers 5880(εr=2.2),第2層介質使用厚度為0.8mm的Fr-4材料(εr=4.4)，每兩層之間都存在厚度為0.11mm的半固化片(εr=4.4)用于粘合。
圖1 天線單元結構示意圖
另外，由于帶狀線地板上的縫隙破壞了帶狀線的對稱性，縫隙在帶狀線兩地板間激勵起了高次模(平行平板模式)，大大增加了單元間的互耦，從而影響陣列方向圖形狀。因此，利用過孔如圖1(b)所示地連接帶狀線上下兩層地板，使平行平板模式在過孔和上下地板間轉化為波導的模，形成一個諧振腔，而穿過過孔的帶狀線傳輸TEM模不受影響，從而減小了互耦的影響[7]。天線單元在中心頻率的增益為5.5dBi。
2.2 陣列的優化設計
根據設計要求，陣列中心缺失單元，屬于不規則陣列，其陣列布局如圖2所示。傳統的陣列綜合方法，如泰勒綜合法，是基于規則陣列的，無法有效地對該陣列進行副瓣電平抑制。而采用遺傳算法[8]對該陣列的幅度分布進行全局優化是較優綜合算法。通過合理設計適應度函數，遺傳優化算法可以更為有效地抑制不規則陣列的副瓣電平。圖3為該陣列在不同綜合方法下的方向圖比較。在采用均勻分布時，副瓣電平為-15dB;泰勒分布時，為-17dB;遺傳算法時，為-21dB。
圖2 陣列布局
圖3 綜合方法比較
2.3 寬帶同軸線-帶狀線轉換器的設計
由于天線單元采用帶狀線進行饋電，而陣列天線的終端接口要求為SMA接頭，因此需要設計寬帶同軸線-帶狀線轉換器。圖4為本設計中應用的一種新型的轉換器。該器件便于在多層微帶結構中使用，可與雙層微帶天線采用相同工藝整體制備。通過將同軸探針與帶狀線末端利用過孔直接相連，并在轉換處去掉適當大小的帶狀線上層地板，可以很好地實現同軸線-帶狀線間的寬帶轉換。采用ANSYS HFSS進行仿真設計，圖5為這種轉換器的仿真結果。可見這種轉換器在8~11GHz的頻帶范圍內保證了很低的回波損耗特性和插入損耗特性。
(a)側視圖
(b)俯視圖
圖4 寬帶同軸線-帶狀線轉換器結構圖
