X波段32元高增益阵列天线设计与仿真

朱丹

摘 要 本文研究了一种X波段32元高增益带状线天线阵的设计方法。阵元排列采用泰勒分布实现低副瓣。通过优化带状线对称振子结构，展宽了阵列天线阻抗带宽。讨论了天线单元结构尺寸与天线阵列带宽之间的关系，介绍了带状线天线阵馈电网络以及带状线转微带接头的工程实现途径。仿真计算结果表明，天线阵列在8%的相对带宽内电压驻波比小于1.4，增益大于20dB，并具有良好的阵列方向图。

关键词 高增益；阵列天线；泰勒分布；X波段

中图分类号：V243 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）06-0027-03

由于空中载体对装载设备的轻量化要求越来越高，天线作为机载无线通信系统的终端部件，对其重量及尺寸有着非常严格的要求。通常选取的天线形式具有重量轻、体积小、低剖面、易于飞行器共形、易于有源器件及电路集成等优点。微带天线或者带状线天线是不错的选择，两种形式各有优点，微带天线重量略轻，加工一致性好，缺点是介质板损耗大；带状线天线整体封闭，损耗较小，缺点是加工一致性略差，重量略重。工程设计中一般根据实际情况，择优选用。

本文在已有的理论分析基础上，选用带状线对称振子结构作为阵列天线辐射单元，设计了X波段32元带状线天线阵列。通过优化单元天线结构参数，减小天线单元间互耦对阵列性能的影响；馈电网络采用泰勒幅度分布加权实现阵列低副瓣，并放置反射板提高阵列增益，在天线端口处设计了带状线-微带转接头以便阵列天线与有源发射/接收（T/R）组件连接。阵列天线相对工作带宽8%，在整个工作频带内增益均大于20dB，方向图副瓣低于-27dB，阵列天线实现了的高增益与低副瓣性能。

1 天线单元设计

如图1所示，天线辐射单元主要由三部分构成：带状线两侧的辐射振子结构、宽带馈电巴伦及介质板。其中，馈电巴伦位于两个辐射振子单元之间并通过缝隙耦合形式激励天线辐射。介质板采用Arlon-DiClad880，相对介电常数为2.17，单层介质板厚度为1 mm，总厚度为2 mm，内外层导体材料均为银，导体层厚度为0.02 mm。

图1 天线单元结构图

根据半波对称振子天线工作原理，辐射臂长L通常选取自由空间波长的一半，天线高度H选取自由空间波长的四分之一。适当选取辐射臂宽a可以有效地展宽天线工作频带，调节巴伦与辐射振子中间缝隙的长度及宽度实现缝隙耦合馈电。根据所需的输入阻抗，通过计算得到馈线宽度w1，匹配枝节lp一般选取四分之一工作波长，同时优化参数馈线长度ly与巴伦线宽w实现阻抗匹配。

图2 天线单元仿真电压驻波比

通过仿真优化上述天线结构尺寸参数，最终确定天线辐射臂长L=14 mm，辐射臂宽a=3 mm，天线高度H=8 mm，b=7 mm，耦合缝宽d=0.5 mm，耦合缝长7 mm，匹配枝节lp=4.5 mm，巴伦线宽w=0.7 mm，巴伦馈线长度ly=3 mm及馈线宽度w1=1.7 mm。仿真计算得到对称振子天线单元电压驻波比如图2所示，从图中可以得到，天线单元在X波段内驻波小于2时的阻抗带宽达到3 GHz以上，相对带宽大于30%，说明该天线结构在所需工作频段内具有良好的宽带特性。

2 天线阵列设计

2.1 32单元天线阵列结构

天线阵列结构如图3所示，在天线单元优化设计的基础上，将其按照32×1排列成直线阵列，相邻单元中心间距22.5 mm，整个阵列尺寸为720×58×17 mm3。馈电网络采用并联强制馈电形式，即利用多个功率分配器将输入功率分配到各个天线单元。为保证阵列辐射方向图低副瓣，激励幅度采用泰勒幅度分布加权，将32个天线单元按照激励幅度分布对称地分为6组，每组网络连接一个有源发射/接收（T/R）组件来满足最大功率能量辐射。每组天线单元个数分别为10、3、3、3、3、10，分别设计T型四级带状线一分十不等功分网络和T型两级带状线一分三不等功分网络。

如图3所示，由于对称振子天线单元具有全向辐射特性，为提高阵列天线增益，在天线单元与馈电网络之间放置了尺寸为656×17 mm2的金属反射板。T/R组件与阵列馈电网络之间通过盲插接头相连，因此，在馈电网络端口处设计了带状线转微带线转接头。如图3中局部放大图所示，通过在介质板一侧开矩形槽，并设计一段微带线来实现带状线转微带线转接头，通过调节微带线的长度及宽度实现阻抗匹配，盲插同轴接头通过介质板另一侧与微带线相连。

图3 阵列天线结构图

通过泰勒分布方向图方程计算，1～32阵元的归一化泰勒幅度分布以及综合形成的-30dB天线归一化方向图分别如图4、5所示。

图4 32元归一化泰勒幅度分布

图5 -30dB天线归一化方向图

2.2 天线阵列仿真结果分析

在设计阵列天线时，通常认为阵列中各天线单元为理想工作互不影响的。而实际的阵列天线系统中，每个天线单元都是开放型电路，各天线单元之间不可能实现完全隔离，而存在相互影响，即互耦。互耦对天线阵，尤其是小间距天线阵列的影响是不能忽略的。阵列天线的互耦效应包括外部辐射与内部传输两个方面。天线单元之间互耦过程表示如下：天线感应到外界电磁波后，在其端口处形成接收场，由于天线端口不可能实现完全匹配，故能量会在端口处反射，从而形成二次辐射，在天线单元之间这样的反射—辐射过程会不断重复下去。然而，阵列天线单元之间的互耦是固有属性，不可能消除其对阵列的影响，只能通过一些方法来改善互耦对阵列天线电气性能的影响。

文中所设计的32元阵列天线单元之间的互耦效应直接影响到阵列天线端口电压驻波比以及辐射方向图。在阵列天线单元形式及单元间距确定的情况下，通过优化辐射单元的结构尺寸来降低互耦对阵列的影响。通过仿真实验，辐射单元臂长L对阵列驻波影响较大，通过减小臂长L，同时优化巴伦匹配枝节lp，得到最优参数尺寸。阵列天线各端口仿真电压驻波比如图6所示，在X波段800 MHz带宽内，阵列天线6个端口驻波比均小于1.4，在600 MHz实际工作频段内，阵列天线各端口驻波比均小于1.3，阻抗带宽性能良好。endprint

图6 阵列天线各端口仿真电压驻波比

图7 阵列天线低频点仿真辐射方向图

图8 阵列天线中心频点仿真辐射方向图

图9 阵列天线高频点仿真辐射方向图

图7～图9分别为阵列天线工作频段内低频点、中心频点及高频点的仿真辐射方向图，与图5理论的计算方向图作比较可以得到，在低频点及高频点副瓣电平抬高了1～2dB，在中心频点副瓣电平抬高了3dB左右，这是由于理论计算取理想条件所致。阵列天线仿真增益与波束宽度如表1所示，在600 MHz工作频段内，增益均大于20dB，-3dB波束宽度为3°左右，与理论结果比较一致。

3 结论

本文研究了X波段高增益带状线天线阵的设计方法。结合理论分析和工程经验，利用Ansoft HFSS软件仿真设计了32元的高增益低副瓣带状线天线阵列。在设计过程中，考虑到天线辐射单元间的互耦对阵列天线电气性能的影响，并通过合理优化辐射单元结构有效地降低了互耦对阵列天线的影响。仿真结果表明：天线在8%的带宽内，电压驻波比小于1.4，通过合理放置金属反射板使得阵列增益大于20dB，辐射方向图副瓣电平均小于-27dB，从而验证了设计方法的有效性，实际工程应用时，可将多个32元线阵组成面天线阵列，通过连接有源T/R组件与数字移相器可以组成有源相控阵天线系统，极大地拓广了本文阵列天线的应用范围。

参考文献

[1]Edward B， Rees D. A broadband printed dipole with integrated balun[J]. Microwave Journal， 1987：339-344.

[2]David M. Pozar.微波工程[M].张肇仪等译.北京：电子工业出版社，2006：271-274.

[3]Taylor， T.T.， Design of Line Source Antennas for Narrow Beamwidth and Low Sidelobes[J].IEEE Trans. on Antennas and Propagation， Vol. AP-3， January 1955：16-28.

[4]袁飞，乐铁军，龙小专.阵列天线互耦补偿技术研究[A].中国电子学会天线分会，2009年全国天线论文集[C].成都：电子工业出版社，2009：422-425.endprint

图6 阵列天线各端口仿真电压驻波比

图7 阵列天线低频点仿真辐射方向图

图8 阵列天线中心频点仿真辐射方向图

图9 阵列天线高频点仿真辐射方向图

图7～图9分别为阵列天线工作频段内低频点、中心频点及高频点的仿真辐射方向图，与图5理论的计算方向图作比较可以得到，在低频点及高频点副瓣电平抬高了1～2dB，在中心频点副瓣电平抬高了3dB左右，这是由于理论计算取理想条件所致。阵列天线仿真增益与波束宽度如表1所示，在600 MHz工作频段内，增益均大于20dB，-3dB波束宽度为3°左右，与理论结果比较一致。

3 结论

本文研究了X波段高增益带状线天线阵的设计方法。结合理论分析和工程经验，利用Ansoft HFSS软件仿真设计了32元的高增益低副瓣带状线天线阵列。在设计过程中，考虑到天线辐射单元间的互耦对阵列天线电气性能的影响，并通过合理优化辐射单元结构有效地降低了互耦对阵列天线的影响。仿真结果表明：天线在8%的带宽内，电压驻波比小于1.4，通过合理放置金属反射板使得阵列增益大于20dB，辐射方向图副瓣电平均小于-27dB，从而验证了设计方法的有效性，实际工程应用时，可将多个32元线阵组成面天线阵列，通过连接有源T/R组件与数字移相器可以组成有源相控阵天线系统，极大地拓广了本文阵列天线的应用范围。

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[3]Taylor， T.T.， Design of Line Source Antennas for Narrow Beamwidth and Low Sidelobes[J].IEEE Trans. on Antennas and Propagation， Vol. AP-3， January 1955：16-28.

[4]袁飞，乐铁军，龙小专.阵列天线互耦补偿技术研究[A].中国电子学会天线分会，2009年全国天线论文集[C].成都：电子工业出版社，2009：422-425.endprint

图6 阵列天线各端口仿真电压驻波比

图7 阵列天线低频点仿真辐射方向图

图8 阵列天线中心频点仿真辐射方向图

图9 阵列天线高频点仿真辐射方向图

图7～图9分别为阵列天线工作频段内低频点、中心频点及高频点的仿真辐射方向图，与图5理论的计算方向图作比较可以得到，在低频点及高频点副瓣电平抬高了1～2dB，在中心频点副瓣电平抬高了3dB左右，这是由于理论计算取理想条件所致。阵列天线仿真增益与波束宽度如表1所示，在600 MHz工作频段内，增益均大于20dB，-3dB波束宽度为3°左右，与理论结果比较一致。

3 结论

本文研究了X波段高增益带状线天线阵的设计方法。结合理论分析和工程经验，利用Ansoft HFSS软件仿真设计了32元的高增益低副瓣带状线天线阵列。在设计过程中，考虑到天线辐射单元间的互耦对阵列天线电气性能的影响，并通过合理优化辐射单元结构有效地降低了互耦对阵列天线的影响。仿真结果表明：天线在8%的带宽内，电压驻波比小于1.4，通过合理放置金属反射板使得阵列增益大于20dB，辐射方向图副瓣电平均小于-27dB，从而验证了设计方法的有效性，实际工程应用时，可将多个32元线阵组成面天线阵列，通过连接有源T/R组件与数字移相器可以组成有源相控阵天线系统，极大地拓广了本文阵列天线的应用范围。

参考文献

[1]Edward B， Rees D. A broadband printed dipole with integrated balun[J]. Microwave Journal， 1987：339-344.

[2]David M. Pozar.微波工程[M].张肇仪等译.北京：电子工业出版社，2006：271-274.

[3]Taylor， T.T.， Design of Line Source Antennas for Narrow Beamwidth and Low Sidelobes[J].IEEE Trans. on Antennas and Propagation， Vol. AP-3， January 1955：16-28.

[4]袁飞，乐铁军，龙小专.阵列天线互耦补偿技术研究[A].中国电子学会天线分会，2009年全国天线论文集[C].成都：电子工业出版社，2009：422-425.endprint