K波段高增益低副瓣微帶天線陣的設計

郭 婧 羅俊忻 王占平

(電子科技大學 成都 610054)

0 引言

微帶天線以其重量輕、體積小、剖面低、易生產及易與電路集成等諸多優點，在衛星通訊、雷達、導彈遙測等領域得以廣泛應用。目前，K 波段微帶陣列天線已被廣泛應用在各種雷達系統中，但其在民用系統中的應用還稍有局限。汽車防撞雷達是目前國內外市場非常熱門的研究方向，根據我國工信部發布的24GHz 頻段短距離車載雷達設備使用頻率規劃，規定24GHz 短距離車載雷達設備使用頻率為24.25 ～26.65GHz，發射信號帶寬(-10dB 帶寬)至少500MHz。而天線的工作頻帶和輻射性能對車載雷達的好壞至關重要，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作用距離，提高收發前端信噪比，而且小型化結構也有利于前端電路集成。

本文設計并制作的這款K 波段諧振式微帶天線陣，采用串并結合饋電方式，相比同類天線而言，饋電網絡簡單緊湊，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對天線的要求，具有廣闊的市場前景。

1 天線設計

1．1 貼片單元設計

為了實現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節阻抗匹配，這種饋電方式不僅使阻抗匹配靈活易行，而且還有利于節省空間、減小體積，更適合天線組陣。

從經濟節約和便于安裝的角度考慮，本設計選用的基板為Rogers4350B，該基板的介電常數為3.48，tanδ 為0.0037，厚度為0.508mm。介質基片選定以后，就可以根據經驗公式確定單元尺寸［1］。貼片寬度W的尺寸影響著微帶天線的方向性函數、輻射電阻及輸入阻抗，從而影響著頻帶寬度和輻射效率。根據文獻［1］，可知，W 的計算公式如式(1)所示:

若W尺寸大于上式給出的值時，將產生高次模，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，但實際上由于邊緣場的影響，在設計L的尺寸時應從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，εe為有效介電常數。εe可表示為:

通過計算，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根據仿真確定。

根據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。

在理論數值的基礎上，經過對初始模型的仿真與優化，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，單元的最大輻射方向為z 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 天線陣列的設計與優化

在將天線單元進行擴展組陣時，要依據所需求的方向圖或者天線的其它指標來確定天線排布、陣元數目，合理控制各陣元的幅度、相位和間距［2］。本設計用于24.5G 車載防撞雷達的收發前端模塊，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。由增益要求和收發前端對體積的限制，本文采用了均勻分布的8 ×6 元陣列進行設計。串并聯結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絡的損耗，大大節省了空間，為天線的小型化奠定了基礎。

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

為盡可能地降低副瓣電平，我們選擇泰勒綜合法來實現非等幅饋電，并在天線陣的單元之間，加入四分之一波長阻抗變換段，通過調整各變化段特性導納與傳輸線特性導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 貼片單元仿真結果

圖3 8 ×1 元線陣結構

阻抗變換段形成1:ni變壓器，假設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］。根據泰勒綜合法［5］，8元線陣按副瓣-30dB 的指標設計，求得一側的電流分布為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，可計算出相應的四分之一波長段阻抗變換器的線寬［6］。至此，饋電網絡的設計已完成，該串并饋結合饋電網絡在保證為各陣元提供所要求的激勵幅度和相位的前提下，還兼具了并聯饋電和串聯饋電的優點。

現將貼片單元和饋線組合起來，在原來的理論設計值上，對陣列進行仿真優化。由于陣列單元較多，仿真時需要的計算資源比較大，所以選用基于有限元積分算法的電磁仿真軟件CST 對陣列天線進行仿真，采用同軸線底部饋電，仿真模型如圖4所示，經過優化后，該天線仿真結果如圖5、圖6所示。

圖4 8 ×6 元陣列天線結構示意圖

圖5 陣列天線反射曲線

圖6 E 面和H 面方向圖

仿真結果顯示，所設計的微帶陣列天線駐波特性良好，帶寬大于500MHz，增益達到21.9dB;且通過優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°，實現了高增益、低副瓣、窄波束的效果。

2 天線測試結果

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

圖7 陣列天線實物

圖8 實測天線駐波系數

在電子科技大學微波暗室中測得陣列天線的方向圖如圖9。

由圖可見，實測陣列天線的反射系數約-30dB，駐波良好，帶寬大于500MHz，天線陣列最大增益可達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，實際的加工精度達不到，測試中引入的誤差以及各種損耗等等，都會對天線效果產生影響。在天線陣的設計中，極窄的主瓣寬度和較低的副瓣電平是難點所在，從實測結果可知，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。且實測增益比理論計算增益只小了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，該款天線已經應用于車載防撞雷達收發前端進行測試，效果良好，性能穩定。

3 結語

本文設計了一款諧振于24.5GHz，帶寬為24.25～24.85GHz 的微帶貼片陣列天線，在對其進行仿真優化的基礎上，制作并測試了實體天線。各項指標的測試結果與仿真結果吻合較好，電性能和輻射性能良好。實測結果證明串并聯結合的饋電方式，有效損耗較小，能提高天線整體的輻射效率，緊湊的天線結構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、小體積等優點。國內汽車防撞雷達的研制尚處于起步階段，這種結構緊湊、性能優越的天線陣能有效滿足車載防撞雷達的要求，在該領域有廣闊的應用前景。

［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］.電子學報，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:北京航空航天大學出版社，2011.

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