矩形微帶串饋天線陣的設(shè)計(jì)與分析

王安康，楊 林，栗 曦

(西安電子科技大學(xué) 天線與微波技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710071)

矩形微帶串饋天線陣的設(shè)計(jì)與分析

王安康，楊 林，栗 曦

(西安電子科技大學(xué) 天線與微波技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710071)

對(duì)矩形微帶串饋梳狀天線陣的設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)行了研究，從等效電路中分析得到陣元參數(shù)的提取辦法。采用加四分之一波長阻抗變換段的方法，降低串饋陣的副瓣電平。在理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了1×8的矩形微帶串饋陣，使用HFSS對(duì)其陣列進(jìn)行仿真，結(jié)果達(dá)到要求的指標(biāo)。

微帶串饋天線陣； 副瓣電平； HFSS

0 引 言

微帶天線由于具有成本低、重量輕、低剖面、體積小、電性能多樣化、制作簡單等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用[1]。微帶線陣常以微帶線構(gòu)成的饋電網(wǎng)絡(luò)對(duì)每個(gè)輻射單元進(jìn)行饋電，不僅可以提高天線增益，而且可以通過波束賦形技術(shù)，在陣列上實(shí)現(xiàn)特定的電流分布來得到期望的天線方向圖，改善天線的方向性。但陣元的增加并不能使其增益增加相應(yīng)的倍數(shù)，有一部分由于饋線的加長而造成損耗[2]。串饋陣列由于饋電網(wǎng)絡(luò)簡單、緊湊，所以損耗較小，使用串饋陣還能方便有效地組成面陣。

矩形微帶梳形陣是一種串饋線陣，可以是行波陣形式，也可以是駐波陣形式。用加四分之一波長阻抗變換段來實(shí)現(xiàn)降低副瓣電平[3]。通過與等幅同相串饋陣相比較，可知利用幅度加權(quán)能夠減小副瓣電平。

1 理論分析及公式推導(dǎo)

1.1 串饋陣的相位關(guān)系

天線波束指向在空間變化時(shí)，相鄰微帶線天線單元的相位差為饋線相位差與空間相位差之和[4]，自由空間波長為λ0，微帶中的介質(zhì)波長為λg，則有：

(1)

單元同相激勵(lì)，有：

(2)

邊射陣θ=0°時(shí)，陣輻射性最強(qiáng)，則d=λg，考慮到柵瓣的影響，還應(yīng)滿足方程[5]：

(3)

對(duì)邊射陣，βm=π/2, 不出現(xiàn)柵瓣的條件為d<λg。其中，θ為波束指向角；βm為陣軸與射線r之間的夾角；φm為正側(cè)向與射線r之間的夾角；c為自由空間的光速；f為諧振頻率。

1.2 陣列激勵(lì)

常用的分析方法有傳輸線模型法、空腔模型法、矩量法、有限元法及時(shí)域有限差分法[6]。本文主要用傳輸線模型法來分析各陣元上的電流幅度錐削對(duì)副瓣電平的影響。串饋線陣的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 矩形串饋陣的結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于微帶串饋陣，單元電流幅度的加權(quán)分布可以用四分之一阻抗變換段來實(shí)現(xiàn)，利用傳輸線模型分析微帶天線，加權(quán)后的線陣等效電路如圖2所示。

圖2 矩形串饋陣的等效電路圖

由1.1節(jié)串饋陣的相位關(guān)系分析可得各陣元要想同相輻射，陣元間距應(yīng)為λg。假設(shè)各單元的輸入導(dǎo)納一樣，則陣元的輸入導(dǎo)納為YA，從饋線中心向右側(cè)看去的導(dǎo)納為Yin，四分之一阻抗變換段的特性導(dǎo)納為Yci(i=1，2，3，4)，設(shè)從i端向右(終端方向)看去的導(dǎo)納為Yi，則有[7]：

(4)

即Yi=YA+ni2Yi+1,ni=Yc2/Yc1=Zc1/Zc2，所以有N=2n=4的8元線陣，從中心饋電向右側(cè)看去的輸入導(dǎo)納為

(5)

右側(cè)輸入阻抗：

(6)

可得總的輸入阻抗：

(7)

ni將決定各單元的電流幅度，相鄰兩節(jié)四分之一阻抗變換段形成一個(gè)1：ni的變壓器，令中心饋電處的貼片電流為1 A，那么計(jì)算可得各單元的相對(duì)貼片電流為

(8)

實(shí)際設(shè)計(jì)中，還需在饋電與第一個(gè)單元連接前加1個(gè)四分之一波長阻抗變換段，由式(6)推導(dǎo)得到：

(9)

2 微帶梳狀陣的設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果

2.1 陣列設(shè)計(jì)

采用相鄰單元間加一段阻抗變換段的辦法來實(shí)現(xiàn)電流不等幅分布。微帶線陣為8元，采用介電常數(shù)4.4、厚度1.6 mm的介質(zhì)基板，按低于主瓣最大值副瓣電平-20 dB來計(jì)算，得到副瓣電平取-20 dB的道爾夫-契比雪夫歸一化電流幅度分布，如表1所示。

表1 電流幅度分布?xì)w一化

選定Zc0=100 Ω, 總的輸入阻抗Zin1=50 Ω和50 Ω的微帶線匹配，以方便日后組陣。

代入式(8)可得n1=0.894,n2=0.866,n3=0.707, 于是可求得四分之一波長阻抗變化段的特性阻抗分別是Zc2=89.4 Ω,Zc3=86.6 Ω,Zc4=70.7 Ω, 由式(9)計(jì)算可得Zc1=60.86 Ω。

輻射單元采用方形貼片，邊長11.44 mm，模型示意圖見圖3, 微帶串饋陣的模型圖見圖4，幅度加權(quán)后的微帶串饋陣的模型圖見圖5。

2.2 HFSS仿真結(jié)果

設(shè)計(jì)了等幅同相和不等幅同相8元微帶串饋陣，通后三維電磁仿真軟件進(jìn)行仿真，得到回波損耗及輻射方向圖，如圖6～9所示。

圖3 貼片單元模型圖

圖4 等幅同相微帶串饋陣建模圖

圖5 不等幅同相串饋陣建模圖

圖6 等幅同相串饋陣的回波損耗圖

圖7 等幅同相串饋陣的輻射方向圖

經(jīng)仿真優(yōu)化得單元間距為27.4 mm時(shí)能有效地輻射，微帶線的阻抗為100 Ω，通過添加四分之一波長阻抗段使得各單元與串饋陣有一個(gè)較好的匹配。從仿真結(jié)果上能夠得出，天線增益約為13 dB，等幅同相和契比雪夫電流分布的同相串饋陣副瓣電平理想狀態(tài)下分別為-13.3 dB和-19.4 dB，而實(shí)際仿真的等幅同相串饋陣的副瓣電平為-14.4 dB，比理想狀態(tài)的副瓣電平還要低，這是因?yàn)閷?shí)際仿真很難使各單元的輻射電流完全一樣。不等幅同相的串饋陣實(shí)際仿真的副瓣電平為-18.7 dB，與理論計(jì)算值相差不大，所以驗(yàn)證了梳狀陣的可行性。

圖8 不等幅同相串饋陣的回波損耗圖

圖9 不等幅同相串饋陣的輻射方向圖

3 結(jié) 論

以微帶梳狀陣的理論分析為基礎(chǔ)，通過等效電路得出微帶線陣的單元參數(shù)提取方法。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了四分之一波長阻抗變換段能夠?qū)N片單元的電流幅度加權(quán)，以達(dá)到降低副瓣的效果。這種設(shè)計(jì)微帶線陣的方法簡單有效，對(duì)實(shí)際的工程應(yīng)用有很大的價(jià)值。

[1] 鐘順時(shí)．微帶天線理論與應(yīng)用[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1991.

[2] 尹家賢，劉克成．串饋微帶天線陣的增益和方向圖計(jì)算[J]．國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，22(1)：43-46.

[3] 傅亦源，柴舜連，毛鈞杰．低副瓣串饋微帶天線陣設(shè)計(jì)[J]．艦船電子工程，2004，24(2)：77-80.

[4] 張光義.相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)[M].北京: 國防工業(yè)出版社，1994.

[5] 王建，鄭一農(nóng)，何子遠(yuǎn).陣列天線理論與工程應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 1998.

[6] 張鈞，劉克成，張賢鐸.微帶天線理論與工程[M]. 北京：國防工業(yè)出版社, 1998.

[7] 梁昌洪，謝擁軍，官伯然.簡明微波[M]. 北京：高等教育出版社, 2006.

Design and Analysis of a Series-Fed Rectangular Microstrip Array Antenna

Wang Ankang，Yang Lin，Li Xi

(National Key Laboratory of Antennas and Microwave Technology, Xidian University，Xi’an 710071，China)

The design theory and method of rectangular microstrip comb antenna arrays are studied, and the equivalent cirsuit is analyzed to obtain an extracting method for the array element parameters. The side lobe level(SLL) of series-fed microstrip arrays is reduced by using quarter-wavelength transformer. The 1×8 series-fed rectangular microstrip antenna array is designed on basis of the theory, and the array is simulated by HFSS. The results show that the required specification is achieved.

series-fed microstrip antenna arrays; SLL; HFSS

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.06.002

2016-09-30

王安康(1992-)，男，河南開封人，博士研究生，研究方向?yàn)樘炀€理論與工程技術(shù)。

TN82

A

1673-5048(2016)06-0009-03