Ka波段串馈微带谐振式全向天线的设计实现

1  引言

众所周知，在各种实际应用中，往往要求天线具有高增益、高功率、低旁瓣、波束控制等特性。由于天线阵可以获得这些特性，从而使得阵技术在实际中获得广泛的应用。上世纪70年代以后，随着微带天线的出现和发展，人们对微带线馈电的微带天线阵产生了浓厚的兴趣。其优点主要有：

（1）结构简单，易于制作和生产；

（2）重量轻，体积小，成本低；

（3）剖面薄，易共形；

（4）易于实现多极化、变极化和双频工作；

（5）馈电网络可以和微带天线元集成在同一介质基片上。

微带天线阵的馈电主要有并联和串联两种形式。和并馈相比，串联馈电电路简单，天线效率高，且空间利用性好。另外，按工作原理，微带天线可以分为谐振型（驻波型）和非谐振型（行波型）两类^[2]。通常驻波天线为边射且效率较高。而行波天线可以设计成从后射到端射之间任一方向，但由于微带终端要接匹配负载，所以影响天线的辐射效率。本设计采取串联馈电的方式，设计一种工作在ka波段（要求35.5GHz～36GHz）的谐振式微带全向天线。

2  贴片单元与阵列的设计与仿真

因为天线工作在毫米波段，为了减小表面波的影响，故采用厚度较薄的介质基片。另外，微带贴片天线应采 用介电常数较低的基片，故采用纯聚四氟乙烯基片，其基本参数：

图1  基本贴片单元结构

所以，基本贴片的设计如图1所示：

图2  全向天线结构图

本设计要求天线工作在垂直极化方式，且要求方向图水平方向不圆度，垂直方向波束宽度，天线增益。根据上述要求，组成图2所示全向天线。图中正反两面的贴片单元交替出现，贴片长度和贴片间距均为L，其值大约为。传输线输入阻抗为，其宽度为3.07 mm。采用CST MICROWAVE STUDIO软件对模型进行仿真、优化。最终得出以下数据： 传输线宽度3.07mm，贴片宽度6mm，贴片长度及间距2.86mm。仿真过程中，为了改善天线方向图特性，使振子1的宽度略小一些。 仿真得到天线方向图特性如图3所示。从仿真结果中可以得到天线E面波束宽度为，H面不圆度，天线增益为。符合设计要求。

图3  天线仿真方向图