一種串饋微帶陣列天線設(shè)計方法

王 輝， 趙海明， 王汝征， 林 莉

（北京華航無線電測量研究所，北京100013）

0 引言

在毫米雷達天線設(shè)計中，通常采用微帶天線。微帶天線的饋電方式有串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電兩種［1-3］。

微帶天線陣列設(shè)計的一個關(guān)鍵問題是降低副瓣。選用合適的電流分布，采用不同電流加權(quán)形式，可以壓縮副瓣，滿足性能指標。串饋貼片加權(quán)分為貼片加權(quán)和饋線加權(quán)兩種［4］：一種是在天線單元阻抗上進行變換；另一種是在傳輸線上進行變換。對于貼片加權(quán)，每個貼片單獨設(shè)計；對于饋線加權(quán)，每個貼片相同，但各個貼片對應的功分器需單獨設(shè)計。

本文提出一種串饋微帶陣列天線的設(shè)計方法。采用貼片加權(quán)方式，給出了天線設(shè)計原理和設(shè)計步驟。據(jù)此，設(shè)計了“一發(fā)兩收”天線陣，給出了天線仿真和測試結(jié)果。

1 工作原理

串饋矩形微帶貼片天線可看作一個場量在橫向沒有變化的傳輸線諧振器，如圖1所示，其等效的傳輸線模型如圖2所示。l、b分別為微帶貼片長度與寬度；iYs、Gs、Bs分別為輻射縫導納、電導與電納。場僅沿微帶貼片長度方向變化，微帶貼片長度l通常是接近半個波長，輻射主要由間距為l的兩個開路端縫隙場產(chǎn)生［1］。

矩形微帶貼片可以等效為兩個輻射縫，進一步可以等效為兩個并聯(lián)導納。所以如圖3所示的串饋結(jié)構(gòu)，可以等效為多個并聯(lián)導納，如圖4所示。各導納的電流不同，但電壓都相同。圖3中的λe為介質(zhì)中等效波長。

顯然，串饋微帶貼片陣的等效電路具有并聯(lián)形式［2-4］，每個貼片電壓相同，貼片功率與電阻成反比。據(jù)此原理，可以設(shè)計串饋微帶貼片陣。

為降低天線副瓣，各貼片功率從陣列中心至邊緣呈錐削分布。貼片電阻是從陣列中心至邊緣逐步升高。貼片電阻與貼片長寬有關(guān)系，貼片越寬，電阻越小。所以，貼片寬度是從陣列中心至邊緣逐步變小。

2 設(shè)計步驟

串饋微帶陣列天線的設(shè)計，可分為八個步驟。

步驟一，根據(jù)設(shè)計頻率確定印制板厚度d，一般選擇在（0.01～0.03）λ0之間。

步驟二，根據(jù)d、饋線阻抗Z計算饋線寬度b［5］：

選定主饋線阻抗后，根據(jù)式（1），計算主饋線寬度。主饋線阻抗一般設(shè)為100Ω左右，寬度一般≥0.2 mm。較細的線寬受加工精度影響較大，但較粗的線寬饋線占用較多的空間，不方便折彎、布線，所以線寬根據(jù)需要適當選擇。

步驟四，計算等效波長：

步驟五，計算每個單元的激勵功率。

單元間距初始值設(shè)置為λe。根據(jù)副瓣要求，利用泰勒副瓣加權(quán)公式計算每個單元的激勵功率［6］。設(shè)定第一個電阻值，根據(jù)功率比分配給每個貼片電阻值，計算每個天線電阻。

步驟六，仿真確定每個貼片的長度和寬度。

貼片寬度b和長度l的初始值計算式為［5］

根據(jù)電阻值，利用圖5仿真模型，確定每個貼片的長度和寬度。其中激勵端口距離貼片邊緣λe/2。仿真每個貼片，把輸入阻抗調(diào)節(jié)為設(shè)計值。具體是利用史密斯圓圖［7］，把仿真阻抗調(diào)到實阻抗線上，阻抗值為設(shè)計值。

調(diào)節(jié)貼片寬度、長度，把實阻抗值調(diào)節(jié)為設(shè)計值，把虛阻抗值調(diào)節(jié)為零。貼片阻抗值由陣列中心到邊緣遞增，貼片寬度遞減。

步驟七，用主饋線級聯(lián)各貼片，并把各貼片調(diào)節(jié)為同相。

如圖6、圖7所示，從末級貼片到第一個貼片依次級聯(lián)：2×1線陣、3×1線陣等，把各貼片相位調(diào)節(jié)為同相。利用仿真軟件的近場功能，計算貼片中心位置相位。具體方法：在貼片中心正上方劃一條線，計算近場，得到貼片中心相位。近場線起點、終點都是貼片中心正上方，距離貼片0.05 mm。調(diào)整貼片間距，把相位調(diào)節(jié)成一致。貼片間距的初始值可以設(shè)置為λe，通過仿真進一步確定實際間距。主饋線與貼片阻抗差別較大，難以調(diào)節(jié)匹配，通過調(diào)節(jié)三角貼片的長度和寬度，把主饋線與貼片連接處輸入阻抗調(diào)為實阻抗。調(diào)為實阻抗后，如果相位差變化較大，再微調(diào)相位差。如果虛阻抗較大，再微調(diào)三角片長度、寬度。

步驟八，整陣仿真。

完成線陣設(shè)計后，用功分饋線級聯(lián)形成天線陣。陣列內(nèi)部是調(diào)節(jié)為實阻抗，在陣列出口調(diào)節(jié)匹配。

3 仿真結(jié)果

根據(jù)節(jié)2設(shè)計步驟，設(shè)計了一個K波段矩形微帶串饋線陣，采用泰勒加權(quán)，天線仿真模型如圖8所示。天線包括“一發(fā)兩收”三個子陣，每個線陣10個微帶貼片。SMP在天線背面饋電。收發(fā)天線中間有3列金屬化孔，用于提高天線隔離度，金屬化孔中心間距為λ0/15。發(fā)射天線方位向方向圖按偏轉(zhuǎn)22°設(shè)計。

天線層關(guān)系示意圖如圖9所示，采用4層印制板結(jié)構(gòu)。板材采用Rogers RO4350B，介電常數(shù)3.66，損耗角正切值0.004，板厚0.254 mm。半固化片為Rogers RO4450F，厚度0.1 mm。

天線駐波、隔離度和方向圖仿真結(jié)果如圖10～13所示。在125 MHz帶寬內(nèi)，駐波不大于1.2，隔離度不小于71 d B，發(fā)射天線增益18.16 dB，接收天線增益12.84 d B。

4 測試結(jié)果

天線加工實物如圖14與圖15所示，天線長88 mm，寬71 mm。SMP連接器通過錫焊焊接在天線背面覆銅地上。

天線駐波、隔離度測試結(jié)果如圖16、圖17所示，在125 MHz帶寬內(nèi)，駐波不大于2，隔離度不小于51.5 dB。

天線增益測試結(jié)果如圖18、圖19所示，發(fā)射天線增益16.66 dB，接收天線增益13.58 dB。根據(jù)實測增益，估算天線效率為22%。

5 結(jié)論

本文提出了一種串饋微帶天線設(shè)計方法，給出了設(shè)計原理和設(shè)計步驟。采用貼片加權(quán)方式，根據(jù)副瓣電平設(shè)計每個微帶貼片的阻抗值，再由阻抗值確定貼片尺寸。各個微帶貼片通過主饋線級聯(lián)形成陣列。貼片與饋線之間通過三角形過渡調(diào)節(jié)為實阻抗，在陣列出口調(diào)節(jié)駐波。根據(jù)此設(shè)計方法設(shè)計了“一發(fā)兩收”天線陣，給出了天線仿真和測試結(jié)果。