2.4GHz 四元微带天线阵设计方法

RF星友十日谈2021-11-13 12:31:00

2.4GHz 四元微带天线阵设计方

 

在设计2.4GHz单向无线通信系统中,鉴于传输信号带宽较窄,对天线小型化要求不高(不大于250mm*250mm),因此收发天线采用设计制作简单、材料廉价易得的微带阵列天线,而且由于收发天线互易性,发射与接收天线采用同一设计方案。天线单元采用矩形贴片设计,最后组成2*2的四元微带天线阵列。
        该天线具体设计性能指标如下:
        工作频率:2.44~2.45GHz
        增益:>6dBi
        下文介绍本微带阵列天线相关的设计理论与设计过程。
        上世纪 50 年代微带辐射器的概念被人提出,70 年代初出现了第一批使用的微带天线。微带天线的最基本形式是在有金属导体接地的介质基片上贴加金属导体薄片。贴片可以是任意形状,它是利用微带天线、同轴探针等结构对贴片馈电,在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场,并通过贴片周围与接地板之间的缝隙向外辐射。因此可认为微带天线是一种缝隙天线。可用不同的天线单元来组成阵列天线,提高其性能来满足不同的需要。 

 

1.贴片单元设计


    结构最简单的微带天线是由贴在带有金属底板的介质基片上的辐射贴片所构成的。贴片导体通常是铜或金,它可取任意形状。但是通常都采用常规的形状以简化分析和预期其性能。基片的介电常数应较低,这样可以增强产生辐射的边缘场。微带天线单元或微带天线阵列其结构通常都比较简单,但其电磁场的分析却很复杂。一方面,微带天线的品质因数很高,使得较难得到精确阻抗特性;并且,介质的各向异性、加载、损耗、表面波效应等影响也较严重。另一方面,微带天线的几何结构也是多种多样的,包括不同的贴片形状、馈电方法,以及寄生单元或层叠单元的应用,共面馈电网络与有缘线路的集成等。

    微带天线的分析方法主要分为基于简化假设的近似方法和全波分析方法两大类。全波分析方法有更好的适应性和更高的精度,但速度较慢。第一类方法包括传输线模型,空腔模型和分段模型。这种方法将贴片单元当做一段传输线或是空腔谐振器,简化了分析和计算,提高了速度,并且物理概念清晰,可以提供设计的初始数据。


1.1 微带天线的传输线模型 


1 传输线法物理模型


    利用传输线模式分析微带天线是比较早期的方法,也是最简单的方法。图 1 所示为传输线法物理模型。传输线模型的基本假设是:1)微带片和金属底板构成一段微带传输线,传输准 TEM 波,波的传输方向决定于馈电点。线段长度Lλ g/ 2, λ g为准 TEM 波的波长。常在传输方向是驻波分布,而在其垂直方向是常数。2)传输线的两个开口端等效为两个辐射缝长为 W,宽为 h,缝口径场即为传输线开口端场强。缝平面看作位于微带片两端的延伸面上,即是将开口面向上折转

90o,而开口场强随之折转。由以上两条基本假设可以看出,当Lλ g/ 2时,二缝上切向电场均为x方向,且等幅同相、它们等效为磁流,由于金属底板的作用,相当于有二倍磁流向上半空间辐射。缝上等效磁流密度为Ms=- 2V/ h,式中,V 为传输线开口端电压。

由于缝已放平,在计算上半空间辐射场时,就可按自由空间处理,这是这种方法的方便之处。 


1.2 微带天线单元设计

 

微带天线的贴片形状可采用矩形、圆形、环形、三角形等,他们都各有特点,但考虑到制板以及微带线馈电和匹配,通常大多采用矩形贴片。一般矩形微带天线的馈电方式都是从贴片某一边的中心点馈电,由于馈电点所在的边和辐射边平行,辐射边是均匀分布,因此激励的工作模为 TM01。这样形成的极化形式为线极化。矩形微带天线单元坐标如图2所示。其与设计有关参量包括:辐射元长度 L,辐射元宽度 W,介质板厚度 h,介质板的长度LG 和宽度 WG,介质的相对介电常数εr和损耗角正切tanδ,馈电方式及阻抗匹配。


2 矩形微带天线单元坐标示意图


1.2.1 介质基板的选取

 

作为微带天线设计的第一步就是要选定介质基板并确定其厚度 h。这是因为基板材料的εrtanδ值及其厚度h直接影响这微带天线的一系列性能指标:

1. 对尺寸及体积重量的影响

工作于主模 TM01 模矩形微带天线贴片长度近似为λ g / 2λ g 为介质内波长。

λ =λ0/sqrt εeλ 0为自由空间波长,εe为等效介电常数,实质上就是用某一均匀介质充填全部空间而微带分布电容不变时,该介质的相对介电常数。εe可表示成

( 1 )

可见 L 值与εr直接相关。当LW确定后,则h的取值决定着天线的体积和重量。

     2. 对微带线特性阻抗的影响

    本设计中需要对给微带天线单元进行馈电的微带线的特性阻抗与微带线的宽度直接相关,为了使微带天线单元与传输线较好地匹配,需要特定阻抗的微带线对其进行馈电。微带线由一条导体带和背面有导体接地板的介质基片构成。导体带宽度为w,介质基片厚度为h,相对介电常数为εr。微带线传输准TEM模。当εrh已知时,微带线的特性阻抗Zc取决于w/h比值,随w/h增大而减小。

给定特性阻抗Zc ,可用下列公式求得所需微带线的宽度w:  ( 2 )

3.对方向特性的影响

在传输线模型分析法中所述,矩形微带天线的E面方向图与两边辐射边间距L有关。对于相同的工作频率采用不同εr的基板则由式( 1 )知对应的L值不同,所以E面的波束宽度也就不同。E面波束宽度可根据二元阵公式算出,

 ( 3 )

式中,A 是每个元的激励幅度, s0 是用电角度表示的元的间隔。

4. 基板厚度 h 对频带的影响

频带窄是微带天线的主要缺点之一,对矩形微带天线其原因可理解为两个辐射缝之间低的传输线特性阻抗(1~10Ω)所致。h的增大使传输线特性阻抗增大从而使频带变宽。当厚度 h <λ/16 时,VSWR2的频带宽度的经验公式为:
                频带(MHz=5.04 f 2h                                                                                              ( 4 )
式中,f 是以 GHz 为单位的频率,h 是以毫米为单位的基板厚度。

5. 基板厚度对效率的影响

         实验证明基板厚度对辐射效率有显著的影响,h 的增大使辐射效率增大。有文献中给出:当采用的基板,工作于 400MHz 的天线,若 h=0.079cm,效率为 65%,当 h=0.318cm 时,效率为 85%

上述诸因素中有的是相互制约的。例如为了展宽频带和提高效率而增大基板厚度h,但h的增加不但使重量增加而且破坏了低剖面特性这在某些飞行器天线的应用是很忌讳的。事实上并不存在各个方面都理想的基板材料,而主要根据应用的具体要求来权衡选定。本设计中决定基板材料与厚度最重要的因素是要保证天线各单元与微带线较好的匹配,并且最终并联后与50Ω的同轴接头良好匹配。最终决定选取 εr=2.2, tanδ=0.0009 ,厚度h=2mm的介质基板。

 

1.2.2 单元尺寸的选取

1.单元宽度

        在确定介质基板材料及其厚度 h 后,应先确定单元宽度 W 的尺寸。因为由式( 1 )知,当εrh已知时,εr取决于W,而单元长度L值又与εr直接相关。W的尺寸影响着微带天线的方向性函数、辐射电阻及输入阻抗,从而影响着频带宽度和辐射效率。另外,W的尺寸直接支配着微带天线的总尺寸。W 的计算公式由下式给出:

                                 

  ( 5 )

其中fr 为天线的工作频率,c为光速,εr为介质基片的相对介电常数。

2.单元长度

         矩形微带天线的长度L在理论上取λ g / 2,但实际上由于边缘场的影响在设计L的尺寸时应减去 2Δl ,计算公式由式(6)(7)给出。

( 6 )

                 

 ( 7 )

本设计天线工作频带在2.44~2.45GHz,取fr=2.445 GHz。由式(5)~(7)计算得天线设计尺寸为W=48.5mmL=40.33mm使用电磁仿真软件 HFSS 实际仿真了该单元天线, 图3所示为HFSS仿真微带天线单元结构示意图。用HFSS对单元尺寸进行了优化,优化尺寸为W=48.5mmL=39mm

 

3 HFSS 仿真微带天线单元结构示意图

 

1.3 微带天线单元馈电网络


天线是一种能量变换器。从发射机到天线以及从天线到接收机之间的连接依靠馈线(传输线)来实现。当负载(天线)阻抗等于传输线的特性阻抗时,其工作在行波状态,传输效率最高。良好的阻抗匹配可以明显提高天线的辐射效率和增益。对微带单元天线进行馈电的两种基本方式:1)微带线馈电;2)同轴线馈电。按馈线位置,也可分为侧馈和背馈两种方式。在本设计中,采用微带线对单元微带天线进行侧馈,如图 4 所示。 

 

4 微带线侧馈示意图

 

天线输入阻抗与馈线特性阻抗的匹配可由适当选择馈电点位置来实现。当馈点沿矩形贴片的两边移动时,天线谐振电阻调节范围很大。微带天线贴片单元的谐振电阻可近似表示如下:
                                

( 8 )

    其中Q 为天线总的品质因子,由式( 6 )给出,Y0 为馈电点位置,采用侧馈时Y0= 0

                                     

 ( 9 )

QrQdQcQ sw分别对应于辐射损耗、介质损耗、导体损耗和表面波损耗的品质因子值。
    

 ( 10 )

设计要求由式( 8 )( 10 )确定的天线阻抗和式( 2 )传输线特性阻抗达到匹配,这样可以使天线工作在最佳状态。
    本设计中,可由上述经验公式得到天线实际的谐振阻抗约在200Ω左右,则选取特性阻抗为200Ω左右的馈线对该贴片单元进行馈电可以实现较好的阻抗匹配。由公式( 2 ),结合选取的介质基板材料及实际加工工艺精度 0.1mm,最后选定馈线宽度为 w=0.2 mm,特性阻抗为Zc =191.7Ω HFSS 对该微带天线单元进行数值仿真分析,图5所示分别为微带天线单元的VSWR与增益仿真结果图。可以看出,该天线单元的VSWR2的带宽为47M,主瓣增益为7.3dBi 

 

 

5 微带天线单元的 VSWR 与增益仿真结果图

 

2.阵列设计

 

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、波束扫描或波束控制等特性。由于天线阵或相控阵可能获得这些特性,从而使得阵技术在实际中获得广泛的应用,大大促进了阵技术和理论的发展。

70 年代以后,随着微带天线的出现与发展,人们对以微带线馈电的微带天线阵产生浓厚兴趣。同一般微波天线一样,要得到高增益,波束扫描或波束控制等特性,只有将离散的辐射元组成阵列才有可能。微带天线阵在下列诸方面具有独特的优势:(1)结构简单,易于制作和生产;(2)重量轻、体积小和成本低;(3)容易同安装表面拱形或在安装表面有很薄的凸起;(4)易于实现多极化、变极化或双频工作;(5)馈电网络可以与微带天线元集成在同一介质板上。
    本设计中天线阵元采用上面讨论的矩形贴片单元组成 2*2 四元阵,增益和带宽都能较好满足设计要求。


2.1 阵的馈电及结构
    天线阵的馈电网络主要任务是保证各阵元所要求的激励振幅和相位,以便形成所要求的方向图,或者使天线性能某项指标最佳。对馈电网络的主要要求是阻抗匹配、损耗小、频带宽和结构简单等。天线阵的馈电形式主要有并连和串联馈电两种形式。本设计采用并联馈电,将馈电点的输入功率平均分配到各个阵元。本设计要实现简单的同相阵,可以利用各路馈线等长来保证各元同相激励。图 6 所示为设计的四元微带天线阵列示意图。在馈电点处采用同轴线背馈。 

 

6 四元微带天线阵列示意图

 

本设计中,用作总馈线的同轴线特性阻抗为50Ω,两边的微带线是并联关系,为了达到阻抗匹配,选定线宽 a1=a2=1.9mm使特性阻抗为 100Ω;同理,对到各阵元的馈线,选定线宽 b1=b2=0.2mm 使特性阻抗为 192Ω(约200Ω)。为了使该段馈线与实际天线谐振阻抗匹配,一般来说,需要一段λ g/4阻抗变换段,由经验公式( 8 )计算的天线谐振阻抗在200Ω左右,考虑实际加工工艺选定变换段线宽 c1=c2=0.2mm。另外,由于阵列天线各单元间互耦的影响,为了使天线工作在设计的频带,单元尺寸需要优化,优化后单元尺寸W= 48.5mmL=38.6mm。如图7所示为 HFSS 仿真微带天线阵列结构示意图。 

 

7 HFSS 仿真微带天线阵列结构示意图

 

2.2 阵的性能分析

 

如图 8 所示为微带天线阵列的 VSWR 与增益仿真结果图,可以看出,该设计微带天线阵列的VSWR 2的频带为2.42~2.46GHz,带宽为40MHz,满足设计要求。 

8 微带天线阵列的 VSWR 与增益仿真结果图

 

9 所示分别为微带天线阵列的方向特性(a)三维方向图(b)二维极坐标方向图,图 10 所示为微带天线阵列的增益结果,可以得到所设计的阵列天线的主瓣增益为 13.3dB,而且没有分裂,最大副瓣增益为 1.6dB,能较好满足系统中天线的设计要求。图 11 为最终设计的微带天线阵列的 PCB 印制板图。 

 

9 微带天线阵列的方向特性(a)三维方向图(b)二维极坐标方向图


10 微带天线阵列的增益结果

 

11 微带天线阵列的 PCB 印制板图