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新型高增益反射阵列天线的设计

作者:不详 ; 发布时间:2017-8-8 9:07:55 ; 来源:互联网  点击:

摘要 介绍了一种新型的高增益反射阵列天线。根据栅格阵列的特点,确立了天线的结构,通过开槽线阻抗变换器实现匹配,并利用电磁场仿真软件HFSS对该天线进行了理论分析。仿真值与实测值能较好地吻合,表明该天线具有良好的匹配和高增益特性。
关键词 高增益;栅格阵列反射

反射器被广泛地用于改变天线的波瓣图。采用一片足够大的平板反射器,可以消除天线的背向辐射,显著提高天线增益。文中通过选取栅格阵列天线的5个辐射单元,在其后方加一个有限大的平面反射器,然后调整天线与反射器之间的距离,使天线达到最佳效果。该天线具有结构简单、低剖面、易于共形等特点,同时具有高增益、低副瓣等辐射特。因而关于此类天线的辐射特性、馈电方式、数值计算等分析研究倍受瞩目,在现代无线通信系统中的应用越来越广泛。

1 栅格阵列
栅格阵列是由栅格单元组成的阵列天线。如图1所示,采用金属导体作为矩形栅格单元,每个矩形单元长为λ0/2,宽为λ0/4。该阵列平行置于接地板上,接地板到到栅格阵列的距离约为λ0/4。整个阵列的馈电很简单,用50 Ω同轴电缆的内导体穿过接地板上的孔接于栅格阵列,外导体则焊接在接地板上。图中箭头表示瞬时电流分布,栅格单元的所有短边上电流相位都保持一致,为主要辐射单元。25个主辐射单元可以实现增益18.1dBi。

a.jpg



2 天线设计
如图2所示,天线选取栅格阵列的5个辐射单元,为使天线性能达到最佳效果,选取天线到接地板的距离为λ0/4。经过矢量网络分析仪的实测,天线在频率点f=1 600 MHz的输入阻抗为325.6 Ω,为实现与50 Ω的匹配,采用c.jpg开槽线阻抗变换。另外在设计中主馈线上还要加一段长为λ0/4的短路线,以起到平衡馈电的作用。 

b.jpg



3 天线测试与仿真结果分析
天线加工完成后,对其主要电性能进行了测试天线驻波比由矢量网络分析仪测得,而辐射方向图和增益通过微波暗室测试系统测得。图3是天线驻波比实测值,在工作频带1525~1660MHz,VSWR1.5,体现了良好的匹配特性。

d.jpg


天线中心频率为1 600 MHz,图4是f=1 600 MHz天线的辐射方向图,图中实线代表实测值,虚线代表仿真值。可以清楚地看到,实测方向图与仿真方向图吻合良好,且方向图对称性较好。天线3 dB波瓣宽度为35°,通过微波暗室实测,天线最大增益可达13.3 dBi。为体现增益的提升,给出了f=1 600 MHz未加反射器时的天线方向图仿真值,如图5所示,图中实线代表H面方向图,虚线代表E面方向图。从仿真值可以看出,天线在为未加反射器时的增益为10.6 dBi,充分说明加反射器后,天线增益得到了显著提升。 

e.jpg

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4 结束语
通过选取栅格阵列天线的5个辐射单元,在其后方加一个有限大的接地板,调整接地板到天线的距离为λ0/4,设计了一种新型的高增益反射阵列天线。天线设计完成后,并对其主要电性能进行了测试。测试结果表明,天线在工作频带1 525~1 660 MHz,匹配良好,在中心频点1600MHz,3dB波瓣宽度为35°,最大增益可以达13.3dBi。 

 
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