微帶柵格陣列天線分析*

溫 彬

（中國電子科技集團(tuán)第十研究所，四川 成都 610036）

微帶柵格陣列頻率掃描天線與相控陣掃描天線和機(jī)械掃描天線相比，具有成本更低、結(jié)構(gòu)更簡單和饋電更方便等一系列特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和通信中。

Kraus[1-2]在1964年首先提出柵格陣列天線，并詳細(xì)論述了其頻率掃描的原理，結(jié)構(gòu)如圖1所示。不同的是，他當(dāng)時(shí)采用的是金屬桿柵格。之后，微帶線結(jié)構(gòu)逐漸代替了金屬桿。R. Condi[3]、Nakano[4]、L.T. Hildebrand[5]、K.D. Palmer[6]等人相繼對(duì)微帶的柵格陣列天線就如何提高求解速度和精度等方面做了大量研究。

盡管如此，要從理論上嚴(yán)格計(jì)算柵格的尺寸極其困難。本文將結(jié)合前人的研究，提出一些工程上的近似處理辦法和設(shè)計(jì)，并提出仿真中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象，作為調(diào)節(jié)天線參數(shù)的參考，以滿足不同的應(yīng)用和指標(biāo)要求。

1 天線頻率掃描原理

如圖1所示，如果在中心2處饋電，將形成分裂在邊射左右兩邊的方向圖。如果在2的微帶線端點(diǎn)處饋電，將形成指向法向的方向圖。只有將2短路，在1或者3處饋電，才能形成未分裂的且單一邊射的方向圖，且波束指向隨頻率的變化而變化，如圖2所示。

圖2 柵格天線主瓣波束指向

在微帶柵格陣列天線的設(shè)計(jì)中，最重要的兩個(gè)參數(shù)是矩形柵格單元的兩條邊的長度，即長邊l和短邊s。由于對(duì)稱性，長邊上的電流等幅反向，輻射功能被抵消，主要負(fù)責(zé)傳輸；短邊則同時(shí)具備傳輸和輻射的功能。

如圖2所示，在端口1處饋電，2處短路，3處匹配，形成邊射方向圖。波束指向角度φ隨柵格參數(shù)l和s變化的函數(shù)為：

其中，px為沿柵格長邊的相對(duì)相速，px= vx/c ； py為沿柵格短邊的相對(duì)相速，py= vy/c 。m為整數(shù)，一般取為1。當(dāng)l和s固定時(shí)，波束方向φ會(huì)隨著波長λ的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)頻率掃描。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[4-5]的經(jīng)驗(yàn)，柵格單元s=0.447λe，l α=0.983λe，其中為等效介質(zhì)波長， 的取值在1.12到1.19之間，相對(duì)相速p=α。

2 泰勒線源優(yōu)化法

除了柵格單元大小外，微帶線的寬度也是一個(gè)很重要的參數(shù)。泰勒線源法可以優(yōu)化綜合出線陣中每個(gè)單元的電流分布，從而達(dá)到優(yōu)化陣因子的目的。微帶柵格天線可以近似看成一個(gè)二維的平面線陣。本文將采用泰勒線源法對(duì)該天線俯仰方向上的微帶線寬度進(jìn)行優(yōu)化，綜合出俯仰方向上低副瓣窄波束的方向圖。

以一個(gè)1×4的柵格線陣天線為例，如圖3所示。介質(zhì)板相對(duì)介電常數(shù)εr為2.2，高度為30 mil（0.762 mm）。通過經(jīng)驗(yàn)法，選取α=1.15，可以初步設(shè)定柵格單元的尺寸，即l=13.9 mm，s=6.3 mm。

圖3 1×4柵格線陣

水平方向上，微帶線寬度為0.5 mm；垂直方向上，中間的微帶線寬，兩邊窄。采用5階泰勒線源法，副瓣目標(biāo)值設(shè)為-25 dB。這5條微帶線上的電流比值為0.25:0.66:1:0.66:0.25，對(duì)應(yīng)的線寬分別為0.1 mm、1.4 mm、2.7 mm、1.4 mm、0.1 mm。

采用HFSS軟件對(duì)該線陣進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。實(shí)線為E面，虛線為H面，增益達(dá)到了12.1 dB，在H面上波束寬度為17.7°，副瓣為-21.7。如果不采用泰勒線源法，副瓣則為-12.6 dB。結(jié)果表明，泰勒線源法具有有效性。

3 柵格陣列天線仿真分析

設(shè)計(jì)要求：在Ku頻段內(nèi)（ flow～ fhigh，這里flow和 fhigh分別表示要求頻段的低頻和高頻值），實(shí)現(xiàn)方位面上±35°的波束掃描，要求增益≥23 dBi，副瓣電平≤-20 dB，方位面上波束寬度≤3°，俯仰面上波束寬度≤15°。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)91×7的微帶柵格陣列天線，其介質(zhì)板參數(shù)與第2節(jié)相同，即εr=2.2，h=0.762 mm，柵格尺寸按經(jīng)驗(yàn)取初值為l=13.9 mm，s=6.3 mm，并將對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，采用泰勒線源法優(yōu)化陣列中柵格單元窄邊微帶線寬度，天線模型如圖5所示。饋電點(diǎn)在最右端，方位面為θ=90°即XOY面，俯仰面為φ=φ0（最大波束指向）的截面。

經(jīng)過仿真優(yōu)化，最終柵格單元尺寸為l=6.75 mm，s=13.25 mm，其方位面上掃描結(jié)果如圖6所示。隨著頻率的降低，波束指向角度變大，從 fhigh掃描到 flow，實(shí)現(xiàn)了最大波束指向從2°到38°。如果加上饋電切換開關(guān)，即可以實(shí)現(xiàn)此頻段內(nèi)±38°的掃描。頻段內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)增益在23.3 dBi到26.8 dBi之間，如圖7所示。可見，采用泰勒線源優(yōu)化法降低了天線的副瓣電平，其和波束寬度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 1×4柵格線陣方向圖

圖5 91×7柵格天線模型

圖6 方位面上波束掃描

圖7 方位面上掃描增益

在中心頻率上的俯仰面（0φ=18°）方向圖，如圖8所示。波束寬度約12°，副瓣達(dá)到了-28 dB，也說明了泰勒法的有效性。

圖8 俯仰面方向圖（16.5 GHz）

本文通過仿真發(fā)現(xiàn)：

（1）增加相對(duì)介電常數(shù)rε，可以拓寬掃描角度范圍，但同時(shí)會(huì)引起增益下降；

（2）增加介質(zhì)板厚度h，可以提高增益，降低副瓣，但同時(shí)會(huì)增加3 dB的波束寬度；

（3）增加?xùn)鸥駟卧叽鏻或s，可以將圖6中的掃描曲線向左偏移，0°為極限，此時(shí)增益降低較多；反之，減少l或s，掃描曲線向右偏移，可實(shí)現(xiàn)大角度掃描；

（4）增加s或增加Y向上陣列的規(guī)模，可以降低方位面上波束寬度。

通過調(diào)節(jié)這些值，可以一定程度上滿足不同的指標(biāo)要求。

4 結(jié) 語

微帶柵格頻率掃描天線結(jié)構(gòu)簡單，饋電方便，成本低廉。基于這一系列特點(diǎn)，本文對(duì)其展開研究，實(shí)現(xiàn)了其在Ku波段18%帶寬范圍內(nèi)的頻率掃描，掃描范圍超過±35°，并采用泰勒線源優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)了天線的低副瓣。后續(xù)的研究工作將主要包括抑制掃描邊緣頻率的增益下降，降低大角度掃描時(shí)的旁瓣電平，優(yōu)化柵格單元長邊微帶線寬度等。

參考文獻(xiàn)：

[1] Kraus J D.A Backward Angle-Fire Array Antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1964(12)：48-50.

[2] Kraus J D,Carver K R.Wave Velocities on The Grid Structure Backward Angle-Fire Antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1964(07)：509-510.

[3] Conti R,Toth J,Dowling T.The Wire Grid Microstrip Antenna[J].IEEE Trans.Antennas Propagat,1981,29(01)：157-166.

[4] Nakano H,Oshima I,Mimaki H,et al.Numerical Analysis of a Grid Array Antenna[C].ICCS'94,1994：700-704.

[5] Hildebrand L T,McNamara D A.Verification of Spatial Domain Integral-equation Analysis of Microstrip Wire-grid Arrays[J].IEEE Proc. Microw. Antennas Propag.,1995,142(04)：314-318.

[6] Palmer K D,Cloete J H.Synthesis of the Microstrip Wire Grid Array[C].10th International Conference on Antennas and Propagation,1997：14-17.