基于不等功分比饋電網(wǎng)絡(luò)的低旁瓣微帶陣列天線設(shè)計

段東洋，胡林仁，郭慶功

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，四川成都，610065）

0 引言

微帶陣列天線因其低剖面、重量輕、易于批量加工生產(chǎn)等特點被廣泛應(yīng)用于相控陣等電子系統(tǒng)中[1]。近年來，為了滿足高性能電子系統(tǒng)的干擾最小化，對天線的低旁瓣提出了重要的要求。降低陣列天線旁瓣的方法主要有天線方向圖綜合法[2-5]、外加環(huán)形諧振器的方式[6-7]、不等間距陣列的方式[8-9]以及漸變天線尺寸來影響電流分布的方式[10-12]。其中文獻[3]設(shè)計了的12×12微帶陣列天線，其采用泰勒分布來調(diào)節(jié)貼片電流分布的方式實現(xiàn)了-23dB 的低旁瓣。通過多級并行的方式來為天線饋電，天線的面積較大。文獻[6]設(shè)計了一款工作在X 波段的4×8 微帶陣列天線，其通過添加互補開口環(huán)形諧振器的方式間接提供了天線的幅度加權(quán)，減小陣列兩側(cè)的旁瓣，實現(xiàn)了-21.5dB 的旁瓣。文獻[8]設(shè)計了一款基于差分進化算法的1×16 不等間距線陣天線，將旁瓣電平作為優(yōu)化目標(biāo)、陣列間距作為優(yōu)化變量，最終得到-19.17dB 的旁瓣。文獻[12]設(shè)計了一款1×7 單側(cè)饋電的串饋線陣天線，線陣陣元為7 個微帶貼片，利用天線尺寸漸變的方式改變電流分布來優(yōu)化天線波束寬度與旁瓣。雖然結(jié)構(gòu)簡單，但串聯(lián)饋電造成了頻帶內(nèi)方向圖不佳。文獻[13]設(shè)計了一種基于凹槽縫隙波導(dǎo)與微帶結(jié)構(gòu)相結(jié)合的6×8 陣列天線，通過匹配微帶線過渡到槽隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了天線的高效益，旁瓣電平為-19dB。本文設(shè)計了一款高增益、低旁瓣的線陣天線以及與之匹配的饋電網(wǎng)絡(luò)，以同軸底饋的方式進行饋電，提高了天線的空間利用率。通過切比雪夫分布設(shè)計，抑制旁瓣電平，實現(xiàn)了-25dB 的旁瓣以及21.7dBi 的天線增益。

1 理論分析

■1.1 微帶天線理論分析

本文天線設(shè)計采用微帶貼片作為線陣天線元件。結(jié)合傳輸線分析方法，計算微帶天線尺寸近似值。介質(zhì)基片的實際介電常數(shù)、厚度以及天線的中心頻率已知，計算微帶天線寬度為：

其中εr為介質(zhì)基板的實際介電常數(shù)，相對介電常數(shù)εg可通過下式計算：

通過上述可計算出微帶天線的理論尺寸，需對其進行優(yōu)化來實現(xiàn)最優(yōu)結(jié)果。

■1.2 饋電網(wǎng)絡(luò)理論分析

功率分配器是電子系統(tǒng)中不可缺少的部分，其功能是將輸入功率以一定的比例和相位分配到各個輸出端口。微帶T型功率分配器因結(jié)構(gòu)簡單，容易設(shè)計和加工，常用于陣列天線的饋電端。

圖1 微帶T 型功率分配器原理圖

如圖2 所示，T 型功率分配器的拐角處有高階模或者雜散場，為了滿足功率分配器與特性阻抗Z0的微帶傳輸線相匹配，用集總電納B 來估算能量存儲得到：

圖2 微帶T 型不等功率分配器模型圖

當(dāng)微帶傳輸線為低損耗時，特征阻抗為實數(shù)，式(5)簡化為

根據(jù)式(6)和圖1 可以得出，功率分配器的輸出端阻抗大小會決定功率分配的大小，通過調(diào)節(jié)微帶線尺寸來控制阻抗，從而實現(xiàn)不同比例的功率分配。

2 天線單元設(shè)計

天線單元采用單層結(jié)構(gòu)的微帶貼片，采用底部同軸饋電的方式輸送能量。介質(zhì)基板為Rogers 5880，介電常數(shù)為εr= 2.2、損耗角正切tanδ= 0.0009、厚度h= 0.762mm。結(jié)合理論分析最終優(yōu)化得到天線的具體尺寸為W= 12.6mm，L= 9.86mm。

圖3 底饋微帶貼片模型

圖4 底饋微帶貼片模型（側(cè)視圖）

利用ANSYS 電磁仿真軟件進行建模和仿真，得到了反射系數(shù)、E 面和H 面輻射方向圖以及增益的結(jié)果，如圖5、圖6 所示。該天線在9.3-9.5GHz 的反射系數(shù)小于-10dB，中心頻點反射系數(shù)為-30dB，在中心頻點9.4GHz 下，最大輻射方向上的增益為7.03dBi。

圖5 反射系數(shù)S11

圖6 實際增益

3 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

為了實現(xiàn)該線陣天線單元的高增益、低旁瓣的要求，根據(jù)切比雪夫分布計算各個單元權(quán)重系數(shù)來設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)，得到從中心到邊緣功率比依次：P16:P15:P14:P13:P12:P11:P 10:P9:P8:P7:P6:P5:P4:P3:P2:P1=1.00:0.98:0.94:0.88:0.81:0.73:0.64:0.55:0.46:0.37:0.29:0.22:0.15:0.10:0.07:0.05。

為了解決輸出端口功率比過大的問題，饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計采用樹狀拓撲結(jié)構(gòu)，由若干個一分二和一分三功率分配器并聯(lián)構(gòu)成。計算分析得到，功率分配器凈尺寸為794.3mm×119.1mm×0.8mm。

圖7 1 分32 不等功分比饋電網(wǎng)絡(luò)模型圖

陣元的位置及各端口的功率分配比和相位值如表1 所示。

圖8 反射系數(shù)S11

表1 饋電網(wǎng)絡(luò)端口功率分配和相位值

在中心頻率9.4GHz 下，功率分配比基本一致，同時相位值基本相同，極差在5 度左右，并且饋電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)一定比例下同向不等激勵的情況.。同時，天線在頻帶(9.28-9.56GHz)的S11 小于-10dB。

4 陣列天線整體設(shè)計分析

結(jié)合第四節(jié)設(shè)計的饋電網(wǎng)絡(luò)，對天線進行組陣設(shè)計，其中陣元間距為 0.8λ0。模型如圖9 所示。

圖9 32 元微帶線陣模型

線陣與饋電網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合仿真設(shè)計，得到結(jié)果如圖10～圖13 所示。

圖10 線陣反射系數(shù)S11

圖11 線陣增益情況

圖12 H 面波瓣圖

圖13 E 面波瓣圖

在中心頻率9.4GHz 下，在H 面上實現(xiàn)了旁瓣電平小于-25dB 的波束，3dB 波束寬度為2.42 度，增益也達到了21.7dBi。同時，天線在頻段(9.28-9.56GHz)的S11 小于-10dB，達到了設(shè)計的要求。

5 總結(jié)

本文設(shè)計了一款高增益、低旁瓣的線陣天線，在頻帶9.28-9.56GHz 內(nèi)滿足S11≤-10dB，同時最大方向上增益為21.7dBi，旁瓣電平滿足SLL≤?2 5dB。采用了一款不等功分比饋電網(wǎng)絡(luò)進行饋電，在9.4GHz 工作頻點滿足功率分配比及相位的一致。滿足指標(biāo)的要求。同時該天線單元可應(yīng)用于相控陣?yán)走_等通信系統(tǒng)中，為后續(xù)大規(guī)模掃描陣列的實現(xiàn)提供保障。