一种宽带低副瓣微带阵列天线的设计

杨亚兵 赵迎超 李绪平 田 江

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

微带天线具有低剖面、重量轻、易共形等优点，且易与有源器件、电路集成，适合规模化生产，可以有效地降低系统成本。因此，在雷达、电子对抗、卫星通信等领域，微带天线得到了广泛地应用。然而，普通微带天线主要缺点是工作频带较窄，这在一定程度上又限制了其应用。另外，低副瓣天线设计是目前阵列天线设计的热点和难点，是实现高性能雷达亟需解决的关键技术之一。微带天线易于组阵，其馈电网络形式灵活，采用微带天线作为阵元设计低副瓣阵列天线是比较常见的形式［1］。

阵列天线的工作带宽、增益、波束宽度以及副瓣电平等指标在很大程度上决定了整个系统的技战术性能，而这些指标又是相互关联的，在工程设计时需要折衷考虑。基于此，本文提出了一种宽带低副瓣微带阵列天线的设计方法。单元天线采用底馈矩形贴片，通过建立互耦环境来修正设计参数、优化贴片尺寸，改善了天线带宽特性。在此基础上，设计了16 ×16 低副瓣微带阵列天线并对其进行了仿真分析。设计结果表明，在所要求的9.5GHz ～10.5GHz频段内，该阵列天线电压驻波比小于1.6，增益大于27.5dB，方位面与俯仰面副瓣电平均优于25dB。可见，该微带阵列天线具有10%以上的工作带宽，且具有低副瓣特性。

1 理论计算

一般地，阵列天线低副瓣特性的实现主要方法是密度加权或者口径幅度加权［2］。本文设计的低副瓣微带阵列天线采用Taylor 口径幅度加权。设计过程中，在保证阵列天线增益的基础上，通过设计微带不等幅馈电网路来满足阵面幅度分布以实现阵列低副瓣特性。

为了实现两维低副瓣特性，采用矩形阵列形式进行Taylor 面阵综合。通常，矩形阵列天线的方向图综合可视为沿方位与俯仰两个方向的线阵方向图综合，其电流分布可以通过Taylor 线源的离散化得到［3］。为了简化起见，以方位面为研究对象来综合阵列天线口面幅度分布。对于方位面，各个单元同相馈电且幅度呈对称Taylor 分布。

已知线源离散单元数为16，间距为21mm，取等副瓣数为3，设计指标要求副瓣电平优于22dB。要实现指标要求的副瓣电平，对于每个单元的馈电幅度和相位要求相对较高。为了保留一定的设计余量，副瓣电平的设计初值定为-28dB 来进行综合。利用MATLAB 计算得到的各个单元归一化幅度分布如图1所示。

图1 电流分布理论计算结果

2 天线设计

微带阵列天线的设计主要包括天线阵面布局设计，阵面幅相分布，单元天线设计，馈电网络设计以及整阵设计等。

2．1 单元天线设计

图2 为本文所提出的单元天线结构示意图。可见，单元天线选用微带贴片形式，其馈电方式为探针底馈，并且微带馈线与辐射贴片共用地板。通常可以采用低介电常数的介质基板，增大基板厚度等方法来降低Q 值，从而拓宽微带天线的工作带宽。但是，采用低介电常数的厚介质基板会使天线表面波损耗增大，不利于辐射效率。

图2 单元天线结构示意图

综合考虑，本文采用厚度为2.5mm，介电常数为2.65 的聚四氟乙烯作为天线的介质基板。微带馈线基板选用与天线相同的材料，其厚度为1mm。另外，设计中适当地调整辐射边的尺寸使贴片呈长条形结构可以有效地展宽单元天线的阻抗带宽。

图3 单元天线电压驻波比曲线

采用Ansoft HFSS 对单元天线进行了建模仿真分析，图3 为单元天线电压驻波比曲线。可见，在要求的9.5GHz ～10.5GHz 频段内，所设计的单元天线电压驻波比小于1.8，其阻抗带宽大于10%。

处于阵列环境中，单元天线间互耦效应会导致其输入阻抗特性发生变化，使天线与馈线之间失配，从而造成阵列增益下降、带宽变窄或者频带偏移等不利影响。考虑到上述因素，建立一个3 ×3 面阵仿真模型，创建边界条件来模拟阵列环境，如图4所示。修正设计参数优化贴片尺寸，以阵列正中心单元(5 号单元)带宽为设计目标，在考虑互耦影响下进一步改善天线带宽特性。

图4 模拟面阵结构示意图(3 ×3)

2．2 馈电网络设计

阵列天线的单元数目、单元间距以及口径分布在设计初始阶段已确定，阵列各辐射单元所要求的激励幅度和相位主要通过馈电网络来实现。馈电网络的设计原则是保证各阵列单元所要求的激励幅度和相位，以便形成所要求的辐射方向图。因此，对馈电网络要求输入阻抗匹配良好、较小的馈电损耗、较宽的工作频带和简单的结构等［4］。

阵列天线的馈电网络形式主要有并联馈电和串联馈电两种形式，也有这两种形式的组合。本文采用并联馈电方式对各阵元馈电，利用不等幅功分器组成多级网络，实现所需要的幅度分布。采用的T型不等幅功分器示意图如图5所示，图中Port1 为输入端口，Port2 和Port3 为不等幅输出端口［5］。

图5 T 型不等幅功分器示意图

由于Taylor 分布具有对称性，所以只需要设计第一象限8 ×8 单元的网络，而整阵馈电网络可通过镜像处理。对于第一象限网络可逐级设计，上一级网络完成以后再设计下一级，保证每一级网络特性最优。这样的设计，过程简单可控且一致性好。最终设计的第一象限馈电网络拓扑结构如上图6所示。

图6 第一象限馈电网络拓扑结构

2．3 阵列天线设计

馈电网络设计完成以后，将16 ×16 单元天线与馈电网络集成就可以得到所要求的阵列天线。阵列天线结构如图7所示，其整体结构尺寸为336mm ×336mm × 3.5mm。整个阵列天线结构中，微带贴片位于顶层，馈电网络位于底层，而中间层为地板。地板为微带贴片与馈电网络所共有，馈电网络通过金属探针与顶层辐射单元相连。

图7 阵列天线结构示意图

地板位于中间层，即在微带贴片介质基板与馈电网络介质基板之间。为了便于馈电，本文采用了一种新的馈电转接结构。这种结构如图8所示，其相当于共面波导与微带线过渡形式，这两者之间通过金属化孔连接。SMA 连接器的金属探针与共面波导相连，而共面波导位于中间地板层。SMA 法兰盘与类“十字形”金属地相连，该金属地与馈电网路均位于底层。

图8 共面波导-微带线过渡结构示意图

在合理的设计阵列布局以及馈电结构基础上，对整阵电性能进行了仿真分析，具体的仿真分析结果如下面图9、图10所示。

图9 为阵列天线电压驻波比随频率变化曲线。可见，在要求的9.5GHz ～10.5GHz 频段内，微带阵列天线电压驻波比小于1.6，其阻抗带宽大于10%，满足指标要求。

图9 阵列天线电压驻波比

图10 为阵列天线方位面与俯仰面归一化辐射方向图，可见，频带内阵列天线副瓣电平均优于25dB，达到了设计目的。仿真结果与设计目标存在一定差异，但是处。范围之内。

图11 为工作频段内阵列天线增益仿真结果，可见其带内增益大于27.5dB，且增益起伏平缓。频率为10.1GHz 处天线增益略有下降，这主要是该频点处电压驻波比较大所致。同时，根据天线口径面与增益、效率之间的关系，可近似估算得到该阵列天线在工作频带内效率大于45%。

图10 阵列天线方向图

图11 阵列天线增益

3 结论

本文提出了一种宽带低副瓣微带阵列天线的设计方法，依此设计了16 ×16 低副瓣微带阵列天线。设计结果表明，在所要求的9.5GHz ～10.5GHz 频段内，该阵列天线电压驻波比小于1.6，增益大于27.5dB，方位面与俯仰面副瓣电平均优于25dB。可见，该微带阵列天线具有10%以上的工作带宽且具有低副瓣特性。因此，本文所提出的设计方法具有一定的工程应用价值。

［1］段文涛，魏宏亮，李思敏.低旁瓣十六元缝隙微带天线阵的设计［J］.电子科技大学学报，2007，27(6):441-444.

［2］张海磊，刘玉杰.低副瓣双波束微带阵列天线［J］.遥测遥控，2009，30(6):25-30.

［3］薛正辉，李伟明，任武.阵列天线分析与综合［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2011.

［4］刘新琼，杨林，雷娟.S 波段大型功分馈电网络设计［J］.空间电子技术，2010，1:101-103.

［5］张肇仪，周乐柱，吴德明等译.微波工程［M］.北京:电子工业出版社，2006.