微帶天線陣的設計與實驗教學研究

傅世強， 李嬋娟， 房少軍

(大連海事大學 國家級電工電子實驗教學示范中心， 遼寧 大連 116026)

微帶天線陣的設計與實驗教學研究

傅世強， 李嬋娟， 房少軍

(大連海事大學 國家級電工電子實驗教學示范中心， 遼寧 大連 116026)

本文提出了在天線課程的實踐教學中增加微帶天線陣的設計性實驗。該實驗通過對天線陣的軟件仿真、實物制作以及儀器測試，讓學生掌握設計天線陣的思路和方法，同時增加創(chuàng)新性實驗內容，鼓勵學生自主研究。該實踐教學方式較好地培養(yǎng)了學生的實踐能力和工程應用能力。

微帶天線陣；饋電網絡；設計性實驗

0 引言

由于微帶陣列天線具有高增益、強方向性、輻射效率高以及副瓣低等優(yōu)勢，國內外許多專家學者多年來一直致力于微帶陣列天線的研究，研究結果已應用于衛(wèi)星通信、雷達、遙感等多個領域中[1-4]。

目前，國內許多高校已經開設了電波天線類課程，也相應配套了一些實踐教學環(huán)節(jié)，但由于天線實踐課程開設的硬件條件要求高、難度大等原因，即便是有條件的院校也僅停留在開設測量天線的方向性等驗證性實驗上，或者采用虛擬仿真的形式開設實驗，缺少創(chuàng)新設計性內容，而針對陣列天線開設的實驗則相對更少[5，6]。隨著Ansoft HFSS等電磁仿真軟件在高校的廣泛應用，部分高校已經開設了一些讓學生參與仿真的實驗，但也僅停留在仿真設計環(huán)節(jié)，缺乏實際動手操作內容[7-11]。

針對這一現(xiàn)狀，本文提出的實驗教學內容是設計兩種四元微帶天線陣，一種為均勻饋電天線陣，另一種為不均勻饋電天線陣。通過對比這兩種不同饋電網絡下微帶陣列天線的設計過程，對這兩種微帶陣列天線進行了深入研究。通過設計、仿真、制作和測試幾個環(huán)節(jié)，使學生深入理解理論知識的同時，也能夠鍛煉學生的動手實踐能力和工程設計能力，真正做到理論和實際相結合，達到學以致用的目的。

1 微帶天線陣的設計

1.1微帶單元天線的設計與仿真

為降低實驗成本，采用厚度1.5 mm的FR4板作為介質基板，介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02。天線要求設計的頻率為2.45 GHz開放頻段。根據(jù)要求設計的微帶貼片單元天線結構如圖1(a)所示，單元的饋電采用嵌入式側饋的形式。根據(jù)矩形微帶天線的傳輸線模型理論計算出的初始數(shù)據(jù)，經過HFSS建模優(yōu)化仿真后，得出最優(yōu)的單元天線的尺寸，即微帶貼片的寬度W為37.26 mm，長度L為28 mm，嵌入式饋電深度d為6.8 mm，寬度m為7.5 mm。使用特性阻抗為50 Ω的微帶傳輸線實現(xiàn)輸入阻抗匹配，將同軸接頭與輻射貼片連接起來，寬度W為2.81 mm。

(a)單元天線結構圖

(b) 仿真的S11曲線圖

(c) 仿真的立體方向性圖圖1 單元天線仿真模型及結果圖

經過HFSS仿真優(yōu)化后的單元天線S11曲線如圖1(b)所示，觀察到其諧振頻率發(fā)生了微小偏移，在2.46 GHz處S11為-22 dB，反射系數(shù)極小，具有良好的匹配特性，符合設計目標。從仿真的方向性圖1(c) 中可以看出，該單元天線的增益不高，只有3.58 dB，這是由于采用了損耗較大的FR4板材的原因，因此需要組建天線陣來改善其增益和方向性。

1.2均勻饋電微帶天線陣的設計與仿真

為了改善上節(jié)所述的單元天線增益不高、主瓣寬度太大、方向性不強的缺陷，實驗要求設計一個1×4的均勻直線陣，取四元天線陣的相鄰陣元之間的距離為61 mm，即二分之一自由空間波長。為了構成均勻饋電天線陣，每個陣元的饋電電流需等幅同相，因此采用串聯(lián)饋電的形式，且選取一側相鄰兩個陣元之間的饋線長度為一個介質波長。設計饋電網絡時，為了保證阻抗匹配，仍采用常見的四分之一波長傳輸線匹配法。最終設計的天線陣結構如圖2(a)所示，由于饋電中心左右陣元是對稱的，因此左側兩個陣元分別經過特性阻抗為35.4 Ω和70.7 Ω兩個四分之一波長變換器后的最終輸入阻抗為100 Ω，右側同樣也變換為100 Ω，這樣在饋電點并聯(lián)后的最終輸入阻抗為50 Ω，與50 Ω的同軸線實現(xiàn)了阻抗匹配。

HFSS仿真的S11圖如圖2(b)所示，H面方向性圖如圖2(c)所示。可見，組陣后天線陣諧振在2.47 GHz，仍然有稍微的頻率偏移，但是依然在允許范圍內。此時，在諧振頻率處S11為-23 dB，滿足設計指標。該天線陣的-10 dB帶寬為68.9 MHz，帶寬比較窄，符合微帶天線帶寬窄的特點。由圖2(c)可得，組陣以后陣列增益為8.6 dB，與陣元增益相比有明顯提高；而且與單元天線的方向圖相比，均勻陣列的方向性圖明顯向中間壓縮，有兩個較小的副瓣，方向性增強，波束變窄。天線陣的最大輻射方向增益為8.6 dB，主瓣寬度為27°。

1.3不均勻饋電微帶天線陣的設計與仿真

不均勻饋電天線陣的陣元結構與均勻天線陣的陣元相同。但在陣列設計上，由于四個陣元的電流振幅比要求滿足二項式分布(1:3:3:1)，為了后續(xù)饋電網絡匹配的方便，預先將單元天線的輸入阻抗設計為133 Ω，再經HFSS仿真優(yōu)化后得到對應的陣元尺寸。設計的一個1×4不均勻饋電天線陣結構如圖3(a)所示，陣元間距仍為二分之一自由空間波長(61 mm)，為保證同相饋電，一側相鄰陣元之間傳輸線的長度仍為一個介質波長。與均勻饋電天線陣不同的是，一個介質波長的傳輸線由兩段不同阻抗的四分之一波長傳輸線和四分之三波長傳輸線組成，構成變壓器功能以實現(xiàn)阻抗變換和二項式電流分布的要求[12]。除了陣列兩側的四分之一波長阻抗變換段采用33 Ω的微帶線以外，其他部分饋線均采用99 Ω的微帶線。

(a) 陣列天線結構圖

(b) 仿真的S11曲線圖

(c) 仿真的H面方向性圖圖2 四元均勻饋電天線陣仿真模型及結果圖

由仿真的S11曲線圖3(b)可見，不均勻饋電天線陣諧振在2.43 GHz，雖然頻率有少許偏移，但是依然在允許范圍內。此時，在諧振頻率處S11為-15.18 dB，滿足要求。該天線陣的-10 dB帶寬為66 MHz，帶寬仍比較窄。由圖3(c)可知，陣列天線的主瓣已經壓縮，方向性變強，但組陣以后陣列增益為6.85 dB，小于均勻饋電的天線陣，且主瓣寬度為40°，沒有副瓣，較好地增強了方向性。

(a) 陣列天線結構圖

(b) 仿真的S11曲線圖

(c) 仿真的H面方向性圖

2 微帶天線陣的實驗教學

為了改善原先天線實驗教學形式和內容創(chuàng)新性不強的缺點，進一步提高學生的動手能力和學習興趣，在前文所述的設計和仿真基礎上，還在微帶天線陣的實驗內容中，增設了實物制作以及測試的過程。實物制作時，為學生提供FR4介質板、銅箔、雕刻刀、刻度尺等耗材和工具，學生將HFSS仿真出來的版圖進行打印，再按照圖紙上的尺寸，在銅箔上剪刻出對應的天線陣結構，貼在介質板上，即可完成實物制作。如圖4所示。

介質板上方為1×4不均勻饋電天線陣，下方為1×4均勻饋電天線陣。利用學校實驗室提供的矢量網絡分析儀以及天線轉臺，對制作出來的微帶天線陣進行測量，實測結果與仿真結果比較后發(fā)現(xiàn)，兩種天線陣實測的諧振頻率和仿真結果都發(fā)生了一定程度的頻率偏移。諧振頻率的S11值，均勻饋電天線陣實測結果-18.4 dB比仿真結果-23 dB高，不均勻饋電天線陣實測值-17.3 dB比仿真結果-15.18 dB要低；均勻饋電天線陣的-10 dB帶寬58.4 MHz要小于仿真結果68.9 MHz，不均勻饋電天線陣的實測帶寬85.9 MHz則大于仿真結果66 MHz。以上數(shù)據(jù)表明：①實物制作的過程必然會引入一定程度的誤差；②學生通過動手制作然后測試，再進行數(shù)據(jù)的分析與比較，會對工程上研發(fā)微帶天線陣的過程有深入的體會。

圖4 加工制作的微帶天線陣實物測試圖

上述微帶天線陣的實驗教學過程中還可以在饋電網絡的結構上引入一些設計性內容，例如二項式分布改為切比雪夫分布、泰勒分布等；天線陣的布局還可以采用并聯(lián)式或者級聯(lián)式等；饋電結構也可以增加圓極化結構等。此外，學生通過前述實驗內容熟悉了實驗流程，再根據(jù)新的設計要求自行設計天線陣結構和尺寸并制作實物進行測試，從而完成設計性實驗內容。實施此類實驗時，可以先從簡單結構入手，由天線單元設計逐漸過渡到難度較高的天線陣設計，讓學生由淺入深，循序漸進地了解整個天線的設計和制作測試過程，逐漸提高學生的工程應用能力。

3 結語

本文以兩種微帶陣列天線為例，介紹了一種適合在高校推廣的創(chuàng)新設計性天線實驗。該實驗過程包括利用HFSS三維電磁仿真軟件進行天線的優(yōu)化仿真設計、實物加工制作以及最后利用矢量網絡分析儀進行天線陣實物的測試。通過整個實驗過程，學生不僅可以進一步了解工程上天線的開發(fā)流程，而且極大地鍛煉了動手操作能力，激發(fā)了學習興趣和研究潛力。同時，該實驗具有創(chuàng)新設計性內容，學生熟悉了實驗流程后，可自行設計實驗方案，并通過實測結果與仿真結果的對比熟練掌握天線的各種性能指標的優(yōu)化方法，提高總結分析能力，為將來的工作與科學研究奠定堅實的基礎。

[1] 薛正輝,李偉明,任武. 陣列天線分析與綜合[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2011.2.

[2] 王紹龍,王偉,何小祥,劉冰. 24GHz小型化低副瓣微帶天線陣設計[J]. 南京：微波學報,2014,S1:302-304.

[3] 李樹,姜興. Ka波段衛(wèi)星通信四元微帶天線陣的研制[J]. 桂林：桂林電子科技大學學報,2010,01:1-4.

[4] 郭婧,羅俊忻,王占平. K波段高增益低副瓣微帶天線陣的設計[J]. 西安：火控雷達技術,2014,04:82-85.

[5] 陳波,王志敏,楊峰. 電磁場與波課程中天線教學創(chuàng)新實驗設計[J]. 成都：實驗科學與技術, 2011, 02: 19-21.

[6] 房少軍,李洪彬,段曉燕,任東. 天線實驗教學仿真系統(tǒng)的研究[J]. 上海：實驗室研究與探索,2010,01:50-52.

[7] 陳曉輝,郭欣欣,裴進明. Ansoft HFSS在微波技術與天線教學實踐中的應用[J]. 北京：中國現(xiàn)代教育裝備, 2015, 21:70-72.

[8] 汪濤,毛劍波,劉士興,黃正峰. 天線仿真實驗的設計與教學實踐[J]. 北京：實驗技術與管理,2012,12:89-93.

[9] 朱莉,高向軍,梁建剛,楊亞飛. 虛擬仿真在“微波技術與天線”教學中的應用[J]. 南京：電氣電子教學學報, 2015, 01:118-120.

[10] 屈樂樂,楊天虹,張麗麗,李玉峰. 基于HFSS仿真軟件的天線實驗課程研究[J]. 北京：實驗技術與管理, 2016, 07:129-132.

[11] 李海英,吳振森. 電磁場仿真軟件在“微波技術”課程教學中的應用[J]. 南京：電氣電子教學學報, 2016,02:143-145.

[12] Fang-Yao Kuo, Ruey-Bing Hwang. High-Isolation X-Band Marine Radar Antenna Design[J], IEEE Trans.Antennas Propag., 2014, 62(5): 2331-2337.

DesignandExperimentalTeachingofMicrostripAntennaArray

FUShi-qiang,LIChan-juan,FANGShao-jun

(CenterofNationalElectricalandElectronicExperimentTeaching,DaLianMaritimeUniversity,Dalian116026,China)

The designing experiment of microstrip patch antenna array in practical teaching has been proposed in this paper. From the experiment, students can master antenna array design ideas and methods through software simulation, physical production and instrument test. Meanwhile, students are encouraged to study independently by increasing the content of innovative experiments. The practice teaching method can improve the students′ practical ability and engineering application ability.

microstrip antenna array；feed network； designing experiment

2016-09-27;

2016-12-01

大連海事大學教改項目(2016Y23)資助

傅世強(1981-)，男，博士，副教授，主要從事天線與射頻電路方面的教學和科研工作，E-mail: fushq@dlmu.edu.cn 李嬋娟(1982-)，女，碩士，實驗員，主要從事射頻與微波技術方面的實驗教學工作，E-mail: lichj@dlmu.edu.cn 房少軍(1957-)，男，博士，教授，主要從事電磁場與微波技術方面的教學和科研工作，E-mail: fangshj@dlmu.edu.cn

TN820; G642.0

A

1008-0686(2017)05-0126-04