24GHz微帶陣列天線設(shè)計(jì)

廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江大學(xué)深圳研究院 鐘催林

浙江大學(xué)深圳研究院 李振林

廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 曾潔瓊

1.微帶天線的設(shè)計(jì)

微帶天線的工作原理與設(shè)計(jì)：

由于對(duì)于大多數(shù)工程應(yīng)用來說，分析設(shè)計(jì)微帶天線，一般利用簡單的傳輸線模型和空腔模型。因此本設(shè)計(jì)，可以先依據(jù)傳輸線模型和空腔模型給出的計(jì)算公式以及工程經(jīng)驗(yàn)公式算出一個(gè)天線單元的基本參數(shù)。一些相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中L為天線的長度，W為天線的寬，c為光在真空中的速度，εe為天線基板的等效介電常數(shù)，εr為基板介電常數(shù)。

依據(jù)上述公式得出天線單元的相關(guān)參數(shù)后，我們可以使用高頻電磁數(shù)值仿真軟件(本設(shè)計(jì)使用的是基于有限元法的HESS軟件)和微波電路設(shè)計(jì)軟件（本設(shè)計(jì)采用基于矩量法的ADS軟件）對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證優(yōu)化。此設(shè)計(jì)中，介質(zhì)基片我們選取的是Tconic RF-35，相對(duì)介電常數(shù)為3.5，基片厚度為0.5mm。由于采用小的介電常數(shù)可以減小諧振腔中儲(chǔ)存的電磁能量，從而降低Q值，展寬帶寬。另外，基片厚度太厚的話會(huì)激勵(lì)起多的表面波模式，會(huì)降低需要方向的輻射，并且改變方向性。所以一般毫米波段微帶天線都會(huì)選取低介電常數(shù)的薄介質(zhì)基片。

2.天線單元設(shè)計(jì)

天線單元設(shè)計(jì)如圖1所示。

天線單元采用微帶饋電的方式，其中天線的寬W和長L可以根據(jù)前面所述的經(jīng)驗(yàn)公式初步計(jì)算。另外天線設(shè)計(jì)的輸入阻抗也要合理，一般不能太大也不能太?。禾?，為了阻抗匹配，饋電微帶線的阻抗也要大，微帶饋線的寬帶就會(huì)過小，這會(huì)給加工精度帶來困難；過小，饋電微帶線寬度會(huì)較大，饋線引入的耗散將會(huì)加大，另外也不利于整個(gè)陣列的阻抗匹配。此設(shè)計(jì)中，選取天線輸入阻抗為100Ω。天線輸入阻抗主要參數(shù)q和L的尺寸相關(guān)。饋線寬度可以采用微波電路仿真軟件ADS計(jì)算得出。所有單元天線的參數(shù)可以可以通過電磁仿真軟件HFSS仿真優(yōu)化，最后得到滿足要求的一組參數(shù)；該項(xiàng)目中我們的設(shè)計(jì)參數(shù)分別為：L=3.0mm，W＝3.62mm，t=0.3mm，q=1.0mm，S=0.14mm。

圖1 天線單元結(jié)構(gòu)圖

3.天線饋電網(wǎng)絡(luò)及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的微帶天線陣列單元個(gè)數(shù)為4×14個(gè)，采用串并結(jié)合的饋電方式，整個(gè)天線采用背饋的方式，天線通過同軸探針與電路相連。同軸探針采用50Ω的特性阻抗。然后采用T形結(jié)構(gòu)將輸入功率分成兩路，然后采用四分之一波長的微帶線進(jìn)行阻抗匹配?？梢圆捎肨形結(jié)構(gòu)功分器的阻抗關(guān)系，以及四分之一波長阻抗變換器的阻抗關(guān)系可以得出各條微帶饋線特性阻抗，得出每條微帶線的特性阻抗后即可用ADS算的它們的寬度。

圖2 陣列天線結(jié)構(gòu)圖

3.1 天線陣列參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

整個(gè)天線陣列結(jié)構(gòu)如圖2所示，天線陣列結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。每一行可以只計(jì)算仿真一邊，優(yōu)化各個(gè)參數(shù)使其匹配。并得出輸入阻抗，再在ADS中根據(jù)輸入阻抗值仿真優(yōu)化出匹配網(wǎng)絡(luò)中參數(shù)的基本值。所以仿真優(yōu)化結(jié)合HFSS和ADS將加快仿真速度。根據(jù)優(yōu)化出的一組參數(shù)畫出AUTOCAD圖紙，再加工成天線實(shí)物。

圖3 陣列天線的S11參數(shù)仿真和測(cè)試曲線

圖4 陣列天線仿真方向圖

該陣列天線的S11參數(shù)仿真和測(cè)試曲線如圖3所示，頻率23.35GHz-24.6GHz內(nèi)S11參數(shù)小于-10dB，仿真和測(cè)試結(jié)果基本一致；同時(shí)天線輻射方向圖實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果基本一致，其中方位角為7度左右，仰角為28度左右；天線增益大約為21dBi。

4.結(jié)語

本文以基本的微帶天線設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，借助于先進(jìn)的仿真工具HFSS和ADS軟件，設(shè)計(jì)出了一種24GHz頻段天線陣，其性能基本上滿足了應(yīng)用要求。