24GHz微帶陣列天線設計

廣東工貿職業技術學院 浙江大學深圳研究院 鐘催林

浙江大學深圳研究院 李振林

廣東工貿職業技術學院 曾潔瓊

1.微帶天線的設計

微帶天線的工作原理與設計：

由于對于大多數工程應用來說，分析設計微帶天線，一般利用簡單的傳輸線模型和空腔模型。因此本設計，可以先依據傳輸線模型和空腔模型給出的計算公式以及工程經驗公式算出一個天線單元的基本參數。一些相關的經驗公式如下：

式中L為天線的長度，W為天線的寬，c為光在真空中的速度，εe為天線基板的等效介電常數，εr為基板介電常數。

依據上述公式得出天線單元的相關參數后，我們可以使用高頻電磁數值仿真軟件(本設計使用的是基于有限元法的HESS軟件)和微波電路設計軟件（本設計采用基于矩量法的ADS軟件）對結果進行驗證優化。此設計中，介質基片我們選取的是Tconic RF-35，相對介電常數為3.5，基片厚度為0.5mm。由于采用小的介電常數可以減小諧振腔中儲存的電磁能量，從而降低Q值，展寬帶寬。另外，基片厚度太厚的話會激勵起多的表面波模式，會降低需要方向的輻射，并且改變方向性。所以一般毫米波段微帶天線都會選取低介電常數的薄介質基片。

2.天線單元設計

天線單元設計如圖1所示。

天線單元采用微帶饋電的方式，其中天線的寬W和長L可以根據前面所述的經驗公式初步計算。另外天線設計的輸入阻抗也要合理，一般不能太大也不能太小：太大，為了阻抗匹配，饋電微帶線的阻抗也要大，微帶饋線的寬帶就會過小，這會給加工精度帶來困難；過小，饋電微帶線寬度會較大，饋線引入的耗散將會加大，另外也不利于整個陣列的阻抗匹配。此設計中，選取天線輸入阻抗為100Ω。天線輸入阻抗主要參數q和L的尺寸相關。饋線寬度可以采用微波電路仿真軟件ADS計算得出。所有單元天線的參數可以可以通過電磁仿真軟件HFSS仿真優化，最后得到滿足要求的一組參數；該項目中我們的設計參數分別為：L=3.0mm，W＝3.62mm，t=0.3mm，q=1.0mm，S=0.14mm。

圖1 天線單元結構圖

3.天線饋電網絡及阻抗匹配網絡設計

該設計的微帶天線陣列單元個數為4×14個，采用串并結合的饋電方式，整個天線采用背饋的方式，天線通過同軸探針與電路相連。同軸探針采用50Ω的特性阻抗。然后采用T形結構將輸入功率分成兩路，然后采用四分之一波長的微帶線進行阻抗匹配。可以采用T形結構功分器的阻抗關系，以及四分之一波長阻抗變換器的阻抗關系可以得出各條微帶饋線特性阻抗，得出每條微帶線的特性阻抗后即可用ADS算的它們的寬度。

圖2 陣列天線結構圖

3.1 天線陣列參數的優化設計

整個天線陣列結構如圖2所示，天線陣列結構為對稱結構。每一行可以只計算仿真一邊，優化各個參數使其匹配。并得出輸入阻抗，再在ADS中根據輸入阻抗值仿真優化出匹配網絡中參數的基本值。所以仿真優化結合HFSS和ADS將加快仿真速度。根據優化出的一組參數畫出AUTOCAD圖紙，再加工成天線實物。

圖3 陣列天線的S11參數仿真和測試曲線

圖4 陣列天線仿真方向圖

該陣列天線的S11參數仿真和測試曲線如圖3所示，頻率23.35GHz-24.6GHz內S11參數小于-10dB，仿真和測試結果基本一致；同時天線輻射方向圖實驗和仿真結果基本一致，其中方位角為7度左右，仰角為28度左右；天線增益大約為21dBi。

4.結語

本文以基本的微帶天線設計理論為基礎，借助于先進的仿真工具HFSS和ADS軟件，設計出了一種24GHz頻段天線陣，其性能基本上滿足了應用要求。