平面結構陣列天線的仿真分析*

張 健，劉曉倩，劉 燕，李 茹

（西北工業大學明德學院信息工程學院，西安710124）

1 引 言

隨著現代雷達和通信技術的蓬勃發展，各種微波射頻系統對天線性能的要求日趨具體和嚴格。因微帶天線自身獨特的優點，在通信、雷達等多個領域已被廣泛應用，這就要求陣列天線不僅要具有特定形狀的波束，還要結構緊湊，且體積和重量盡可能小，以滿足不同條件下的工程需要。陣列天線是由若干個天線單元按一定方式排列并給予適當激勵獲得預定方向圖特性的天線；陣列天線的方向圖特性是由天線單元數目、各單元間距、排列形式、幅度和相位五個要素確定的，同時還要考慮陣元自身的特性對陣列天線的影響。陣列天線在結構上由載流線元、口徑面元、尺寸較小的微帶貼片等組成。通過對陣元數量、結構形態、排列方式、饋電幅度和相位的選擇與優化，可得到單個天線元無法實現的輻射特性。因此，研究具有低副瓣、高增益特性的微帶陣列天線的小型化、輕量化、高機動性，具有重要的工程意義。

2 微帶陣列天線原理

微帶天線的構成，是在介質基片上，一面用光刻腐蝕等方法制成特定形狀的金屬輻射貼片，另一面敷上金屬薄層作為接地板，再采用微帶線、同軸探針或其它饋電方式進行饋電，使輻射貼片與接地板之間激勵出輻射電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射出去[1-3]。其結構如圖1所示。

圖1 微帶天線結構圖

依據分析微帶線的方法不同，有不同的輻射原理。在此以矩形貼片微帶天線為例簡述其工作原理。對于矩形貼片微帶天線，可采用傳輸線模型理論來分析其性能。假設輻射貼片的長度為L≈λ/2，寬度為W，介質基片的厚度為h?<<λ0/2（λ0為工作波長）。當只有主模激勵（TM10模）的條件下，電場在長度L 方向只有λg/2 的改變（λg為微帶傳輸線的波導波長)，而寬度W 方向上保持不變。

微帶天線的輻射原理如圖2所示。由圖2(a)中可見其輻射可看成是由輻射貼片開路端的邊沿激勵的，而在兩開路邊的電場可以分解為相對于接地板的水平分量和垂直分量。由于輻射貼片長度L 約為半個波長，其兩開路端電場垂直分量的方向相反，則在正面方向上由它們產生的遠場將會相互抵消；而水平分量方向相同，合成的場強加大，則垂直于天線表面方向上的輻射場最強。如圖2(b)所述，兩開路的電場水平分量可以等效為無限大，平面上同相激勵并向地板以上空間輻射的兩個縫隙，其寬度ΔL≈h（h 為基片厚度)，長度為 W，兩縫隙間距約為半波長，縫隙的電場沿著W 方向均勻分布，電場方向垂直于W 方向。

圖2 微帶天線輻射機理圖

陣列天線按分布形式一般分為線陣和面陣。通常線陣為均勻直線陣。各陣元可按不等間距排列，也可不按直線排列，如在圓周上排列；平面陣則在某一平面上由多個直線陣按一定間隔排列成天線陣；球面陣則是各單元的中心排列在球面上[4]。

微帶天線單元的增益較小，一般單個貼片單元的增益只有6~8dB，為了提高增益、增強方向性、提高輻射效率、降低副瓣、形成賦形波束和多波束等特性，往往需要將輻射單元按照一定的方式排列和激勵，這就構成了微帶陣列天線結構。

3 矩形微帶貼片天線的設計及仿真

3.1 介質基片的選取

微帶天線設計首先要選擇合適的基片，并確定其厚度h，它們決定了微帶貼片的尺寸，并直接影響著微帶天線的一系列性能指標。由于本設計中的天線工作于Ku 頻段，所以采用Arlon AD 270 材料的介質，基片尺寸為 WG=W+0.2λg，LG=L+0.2λg，整體構造如圖3所示。而LG 由饋線和阻抗變換器的尺寸而定。實際使用中，通常沿輻射元各邊向外延伸2倍以上的基板厚度[5]。

圖3 微帶貼片天線俯視圖

3.2 微帶輻射貼片尺寸計算

設計一長為L，寬為W 的矩形微帶天線，結構如圖4所示。

圖4所設計的矩形微帶貼片天線

設計微帶貼片天線的第一步是選擇合適的介質基片，假設介質基片的介電常數為εr，對于工作頻率為f 的矩形微帶天線，可以用下列公式設計出高效率輻射貼片對應的寬度W，即：

式中，c 為光速。

輻射貼片的長度一般取λe/2，其中λe為內波導波長，即為：

考慮邊緣縮短效應，實際的輻射單元長度L為：

式中，εe是有效介電常數，ΔL 是等效輻射縫隙長度。它們分別可用下列公式計算：

選取的介質板為Arlon AD 270，可根據式(1)～式(5)計算出天線的參數，結果如表1所示。

表1 天線參數尺寸 單位：mm

3.3 微帶貼片天線仿真及結果

在Ansoft HFSS15 軟件中對所設計的單元天線建模，并對其進行了仿真。創建的模型如圖5所示。

圖5 矩形貼片天線模型

由仿真得到S11 的散射圖如圖6所示。可見，微帶天線諧振頻率在16GHz 附近，且在16GHz 頻點上的回波損耗值為-21.25dB 左右。

圖6 天線單元的S11 參數圖

由仿真得到的微帶天線駐波特性曲線如圖7所示。可見，天線在中心工作頻率f0=16GHz 處，電壓駐波比VSWR=1.18，實現了良好的阻抗匹配；相對阻抗帶寬（VSWR≤2）為1.8%。

圖7 天線單元的駐波特性曲線

由仿真得到的微帶天線的輸入阻抗特性如圖8所示。可見，在16GHz 的頻率點上的輸入阻抗為(51.04-j8.8)Ω。

圖8 天線輸入阻抗特性

由仿真得到微帶天線S11 的Smith 阻抗圓圖如圖9所示。從結果中可以看出，16GHz 時的歸一化阻抗為(1.0208-j0.176)Ω，達到了良好的匹配狀態。

圖9 天線S11 的Smith 阻抗圓

由仿真得到的微帶天線在天線中心工作頻率16GHz 處的3D 方向圖如圖10所示，其最大輻射方向為垂直于天線中心方向，最大輻射方向的增益達到了7.6dB。所得到的微帶天線在中心工作頻率16GHz 處的增益直角坐標和極坐標方向圖分別如圖11 和圖12所示。由仿真結果可得E 面的半功率波瓣寬度為65°，H 面半功率波瓣寬度為91°。

圖10 天線的3D 方向圖

圖11 天線的直角坐標增益方向

圖12 天線的極坐標增益方向

一般而言，在平面陣中，陣列的單元數量增加一倍，則陣列天線的增益會隨之增加3dB 左右，這也是下文對陣列天線設計時的一個重要參考點。

仿真所得的微帶天線在中心工作頻率16GHz處的微帶貼片天線表面電流分布圖如圖13所示。

圖13 天線輻射貼片表面電流分布圖

4 Ku波段平面陣列天線設計與仿真

設計了一款Ku 波段4 元平面結構陣列天線[6-8]，并對所設計的天線進行仿真。技術指標要求如下：

1) 工作頻率：16.25GHZ±0.1GHz；

2) 工作頻帶內 VSWR：小于 2；

3) E、H 面半功率波瓣寬度：大于 20°；

4) 增益：大于 13dB；

5) 極化方式：線極化；

6) 輸入阻抗：50 歐姆。

陣列天線的整體設計步驟如下：

選擇合適的單元并確定其結構和尺寸→確定單元數目→確定單元間距→確定單元的排布方式→仿真分析。

在首先確定好天線單元的結構和尺寸，以及單元數目和排列方式，并且設計好饋電網絡之后，進而要進行系統整合，即將設計好的微帶貼片單元和饋電網絡組合成微帶平面天線陣。

由于受到天線尺寸的限制，在單元間距的選擇上，除了考慮通常將單元間距取為0.5λ

仿真創建出的4 元平面陣列天線如圖14所示。這是一種并聯饋電網絡組成的陣列天線，在HFSS15軟件中建模并進行了仿真。

圖14 4 元平面陣列天線

由仿真得到4 元微帶天線的駐波特性曲線如圖15所示。天線在中心工作頻率16.25GHZ 處，電壓駐波比VSWR=1.45，實現了良好的阻抗匹配。由仿真得到4 元微帶天線的S11 散射圖如圖16所示，且微帶天線諧振頻率在16.25GHz 附近，觀察到該頻點上的回波損耗值為-14.57dB 左右。

圖15 4 元微帶天線駐波特性曲線圖

圖16 4 元微帶天線S11 參數圖

由仿真得到4 元微帶天線的輸入阻抗圖如圖17所示。可知在16.25GHz 的頻率點上的輸入阻抗為(51.5-j0.2)Ω。

圖17 4 元微帶天線輸入阻抗圖

由仿真得到4 元微帶天線S11 的Smith 阻抗圓圖如圖18所示。從結果中可見，16.25GHz 時的歸一化阻抗為(1.036-j0.004)Ω，達到了很好的匹配狀態。

圖18 4 元微帶天線S11 的Smith 阻抗圓圖

由仿真得到4 元微帶天線在中心工作頻率16.25GHz 處的3D 方向圖如圖19所示。可見，其最大輻射方向為垂直于天線中心方向，最大輻射方向的增益達到了13.36dB。

圖19 4 元微帶天線3D 增益圖

由仿真得到4 元微帶天線在中心工作頻率16.25GHz 處的增益直角坐標和極坐標方向圖分別如圖20 和圖21所示。由仿真結果可得H 面半功率波瓣寬度為20.8°。

圖20 4 元微帶天線的直角坐標圖

圖21 4 元微帶天線的增益極坐標方向圖

5 結束語

利用從整體到局部再到整體的設計思路，進行了矩形貼片微帶的設計與仿真，在此基礎上完成4元平面結構陣列的設計與仿真。單個微帶天線單元的增益約為7.6dB 左右，而該陣列天線工作在16.15GHz 到16.35GHz 頻段內，固定波束最大增益約為13.3dB 左右，顯然單個微帶天線單元不如陣列天線的增益。由于陣列的單元數量增加一倍，陣列天線的增益會增加3dB 左右，所以在設計時可以根據技術指標的要求靈活調整，設計出不同陣列單元的天線陣。