K波段高增益低副瓣微帶天線陣的設(shè)計(jì)

郭 婧 羅俊忻 王占平

(電子科技大學(xué) 成都 610054)

0 引言

微帶天線以其重量輕、體積小、剖面低、易生產(chǎn)及易與電路集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，在衛(wèi)星通訊、雷達(dá)、導(dǎo)彈遙測等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。目前，K 波段微帶陣列天線已被廣泛應(yīng)用在各種雷達(dá)系統(tǒng)中，但其在民用系統(tǒng)中的應(yīng)用還稍有局限。汽車防撞雷達(dá)是目前國內(nèi)外市場非常熱門的研究方向，根據(jù)我國工信部發(fā)布的24GHz 頻段短距離車載雷達(dá)設(shè)備使用頻率規(guī)劃，規(guī)定24GHz 短距離車載雷達(dá)設(shè)備使用頻率為24.25 ～26.65GHz，發(fā)射信號帶寬(-10dB 帶寬)至少500MHz。而天線的工作頻帶和輻射性能對車載雷達(dá)的好壞至關(guān)重要，一款高增益、低副瓣、窄波束、體積小的天線不僅可以增加雷達(dá)作用距離，提高收發(fā)前端信噪比，而且小型化結(jié)構(gòu)也有利于前端電路集成。

本文設(shè)計(jì)并制作的這款K 波段諧振式微帶天線陣，采用串并結(jié)合饋電方式，相比同類天線而言，饋電網(wǎng)絡(luò)簡單緊湊，可有效減少饋線損耗與雜散輻射，降低陣元間的互耦，并縮小天線體積。最終實(shí)測天線，帶寬大于500MHz，增益大于20dB，副瓣為-20dB，E 面、H 面半功率波瓣寬度分別為16.7°和11.8°，波束寬度較窄，方向性較好。該款天線性能符合車載防撞雷達(dá)對天線的要求，具有廣闊的市場前景。

1 天線設(shè)計(jì)

1．1 貼片單元設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)微帶天線陣列的小型化，提高輻射效率，貼片單元的形式選取了諧振式的微帶矩形貼片單元。采用貼片輻射邊微帶插入式饋電方法，通過在饋線與貼片接觸處開槽來調(diào)節(jié)阻抗匹配，這種饋電方式不僅使阻抗匹配靈活易行，而且還有利于節(jié)省空間、減小體積，更適合天線組陣。

從經(jīng)濟(jì)節(jié)約和便于安裝的角度考慮，本設(shè)計(jì)選用的基板為Rogers4350B，該基板的介電常數(shù)為3.48，tanδ 為0.0037，厚度為0.508mm。介質(zhì)基片選定以后，就可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定單元尺寸［1］。貼片寬度W的尺寸影響著微帶天線的方向性函數(shù)、輻射電阻及輸入阻抗，從而影響著頻帶寬度和輻射效率。根據(jù)文獻(xiàn)［1］，可知，W 的計(jì)算公式如式(1)所示:

若W尺寸大于上式給出的值時(shí)，將產(chǎn)生高次模，從而引起場的畸變。

矩形微帶天線的長度L在理論上取λg/2，但實(shí)際上由于邊緣場的影響，在設(shè)計(jì)L的尺寸時(shí)應(yīng)從λg/2 中減去2ΔL。L及ΔL的值由式(2)、(3)給出:

其中，c 為光速，fr為諧振頻率，εr為基板的介電常數(shù)，εe為有效介電常數(shù)。εe可表示為:

通過計(jì)算，可得到微帶貼片單元尺寸:W=4.09mm，L=3.01mm。工程上，饋線深入量I≈L/3，饋線深入處開槽寬度t根據(jù)仿真確定。

根據(jù)以上得到貼片單元的初始尺寸后，在Ansoft HFSS 仿真軟件中建立仿真模型如圖1所示。

在理論數(shù)值的基礎(chǔ)上，經(jīng)過對初始模型的仿真與優(yōu)化，得到基本滿足要求的貼片尺寸為:W=3.34mm，L= 3.09mm，I= 1mm，t= 0.45mm，s=0.29mm，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖1 貼片單元仿真模型

由圖2 可知，單元天線能很好地諧振在工作頻帶內(nèi)，單元的最大輻射方向?yàn)閦 軸正方向，仿真得到的最大輻射方向的增益約為7.46dB。下面則通過單元組陣的方式來提高天線的增益和減小波瓣寬度。

1．2 天線陣列的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

在將天線單元進(jìn)行擴(kuò)展組陣時(shí)，要依據(jù)所需求的方向圖或者天線的其它指標(biāo)來確定天線排布、陣元數(shù)目，合理控制各陣元的幅度、相位和間距［2］。本設(shè)計(jì)用于24.5G 車載防撞雷達(dá)的收發(fā)前端模塊，要求微帶天線陣列具有較高的增益以及盡量小的尺寸，便于集成化。由增益要求和收發(fā)前端對體積的限制，本文采用了均勻分布的8 ×6 元陣列進(jìn)行設(shè)計(jì)。串并聯(lián)結(jié)合的饋電方式不僅使匹配簡單易行，更重要的是減小了饋電網(wǎng)絡(luò)的損耗，大大節(jié)省了空間，為天線的小型化奠定了基礎(chǔ)。

確定了微帶平面陣列的形式和單元數(shù)目之后，為設(shè)計(jì)的簡便，我們選擇常見的邊射陣來設(shè)計(jì)，即需要各單元同相饋電，同時(shí)，為減弱單元間的互耦效應(yīng)、避免柵瓣出現(xiàn)，E 面和H 面間距均取一個(gè)波導(dǎo)波長λg［3］。

為盡可能地降低副瓣電平，我們選擇泰勒綜合法來實(shí)現(xiàn)非等幅饋電，并在天線陣的單元之間，加入四分之一波長阻抗變換段，通過調(diào)整各變化段特性導(dǎo)納與傳輸線特性導(dǎo)納之比來控制電流錐削分布，降低副瓣電平，保證端口阻抗匹配。整條線陣采用中心饋電，其示意圖如圖3所示。

圖2 貼片單元仿真結(jié)果

圖3 8 ×1 元線陣結(jié)構(gòu)

阻抗變換段形成1:ni變壓器，假設(shè)第一輻射元上輸入電流幅度為1，那么得到I0=1;I1=n1;I2=n2n1;Ii= n1n2…ni-1ni［4］。根據(jù)泰勒綜合法［5］，8元線陣按副瓣-30dB 的指標(biāo)設(shè)計(jì)，求得一側(cè)的電流分布為I1:I2:I3:I4=1:0.8187:0.5287:0.2906。同理，也可求得縱向并饋線的電流分布。通過電流分布，可計(jì)算出相應(yīng)的四分之一波長段阻抗變換器的線寬［6］。至此，饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)已完成，該串并饋結(jié)合饋電網(wǎng)絡(luò)在保證為各陣元提供所要求的激勵(lì)幅度和相位的前提下，還兼具了并聯(lián)饋電和串聯(lián)饋電的優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)將貼片單元和饋線組合起來，在原來的理論設(shè)計(jì)值上，對陣列進(jìn)行仿真優(yōu)化。由于陣列單元較多，仿真時(shí)需要的計(jì)算資源比較大，所以選用基于有限元積分算法的電磁仿真軟件CST 對陣列天線進(jìn)行仿真，采用同軸線底部饋電，仿真模型如圖4所示，經(jīng)過優(yōu)化后，該天線仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖4 8 ×6 元陣列天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 陣列天線反射曲線

圖6 E 面和H 面方向圖

仿真結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的微帶陣列天線駐波特性良好，帶寬大于500MHz，增益達(dá)到21.9dB;且通過優(yōu)化饋線和阻抗變換段的寬度，較大幅度地降低了天線副瓣電平，E 面、H 面第一副瓣電平均小于-24.5dB，波瓣寬度分別為17.4°和12.1°，實(shí)現(xiàn)了高增益、低副瓣、窄波束的效果。

2 天線測試結(jié)果

根據(jù)上述仿真模型所制作的天線實(shí)物見圖7，天線的外形大小為60mm ×45mm ×0.5mm，利用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5222A-200 測得其駐波特性見圖8。

圖7 陣列天線實(shí)物

圖8 實(shí)測天線駐波系數(shù)

在電子科技大學(xué)微波暗室中測得陣列天線的方向圖如圖9。

由圖可見，實(shí)測陣列天線的反射系數(shù)約-30dB，駐波良好，帶寬大于500MHz，天線陣列最大增益可達(dá)20.2dB，E 面第一副瓣電平為-20dB，半功率波束寬度為16.7°;H 面第一副瓣電平為-19dB，半功率波束寬度為11.8°。實(shí)測與仿真相比，駐波良好;最大增益略有下降，副瓣電平有所上升，但波束寬度變窄。原因可能是在較高的波段，實(shí)際的加工精度達(dá)不到，測試中引入的誤差以及各種損耗等等，都會(huì)對天線效果產(chǎn)生影響。在天線陣的設(shè)計(jì)中，極窄的主瓣寬度和較低的副瓣電平是難點(diǎn)所在，從實(shí)測結(jié)果可知，該款天線在主瓣寬度和副瓣電平之間，取得了較好的平衡，副瓣電平較低，主瓣寬度也窄。且實(shí)測增益比理論計(jì)算增益只小了3dB，說明該天線輻射效率高，損耗小。

圖9 天線方向圖測試曲線

目前，該款天線已經(jīng)應(yīng)用于車載防撞雷達(dá)收發(fā)前端進(jìn)行測試，效果良好，性能穩(wěn)定。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款諧振于24.5GHz，帶寬為24.25～24.85GHz 的微帶貼片陣列天線，在對其進(jìn)行仿真優(yōu)化的基礎(chǔ)上，制作并測試了實(shí)體天線。各項(xiàng)指標(biāo)的測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，電性能和輻射性能良好。實(shí)測結(jié)果證明串并聯(lián)結(jié)合的饋電方式，有效損耗較小，能提高天線整體的輻射效率，緊湊的天線結(jié)構(gòu)也有利于減小陣列中心的陣元互耦。本文研制的K 波段微帶陣列天線，具有高增益、較低副瓣、窄波束、小體積等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)汽車防撞雷達(dá)的研制尚處于起步階段，這種結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越的天線陣能有效滿足車載防撞雷達(dá)的要求，在該領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］張鈞，劉克誠，張賢鐸，赫崇駿.微帶天線理論與工程［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1988，113-118.

［2］C.Niu，J.She，Z.Feng.Deign and simulation of linear series-fed low-side lobe microstrip antenna array［C］.Microwave Conference Asia-Pacific，2007，1-4.

［3］D.M.Pozar，D.H.Schaubert.Microstrip antennas-the analysis and design of microstrip antennas and arrays［J］.IEEE Trans on Antennas and Propagat，1995.

［4］惲小華，陳春紅，孫琳琳，等.一種具有加減信道的低旁瓣微帶天線陣［J］.電子學(xué)報(bào)，2003，31(12A):2009-2011.

［5］薛正輝，李偉明，任武.陣列天線分析與綜合［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［6］R.S.Elliott.Antenna Theory and Design［M］.Prentice-Hall Englewood Cliffs(USA)，1981.