新型高增益反射阵列天线的设计

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；反射器

    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。

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。

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，VSWR<1．5，体现了良好的匹配特性。

    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。

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&lambda;0／4，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。