K波段微带天线阵列设计

吴慧峰，王 建，饶玉如

(电子科技大学 电子工程学院， 成都 611731)



·天馈伺系统·

K波段微带天线阵列设计

吴慧峰，王 建，饶玉如

(电子科技大学 电子工程学院， 成都 611731)

为了提高雷达的作用距离、作用范围以及减小其他方向的干扰，针对雷达对天线的要求，文中通过采用不等间距的变尺度算法设计优化了一种具有特殊方向图的收发天线系统。仿真设计了集成在同一块Rogers4350B材质上的一副发射天线(TX)、两副接收天线(RX1、RX2)微带天线阵，并且使该天线阵列在E面形成特殊形状的方向图。最后，对三天线系统进行了加工测试，测试结果表明：该天线阵列E面波束赋形效果良好，有效地提高了雷达的作用距离和作用范围，并且减小了其他方向信号的干扰。

微带阵列；波束赋形；三天线系统

0 引 言

随着我国车辆数目的不断增加，优化电子收费系统(ETC)雷达的性能成为迫切的需求[1]。对于测速雷达来说，路上的车况比较复杂，车辆的速度较快，增加雷达的作用距离、作用范围，排除来自其他方向的干扰和降低造价是ETC雷达所必须要考虑的。因此，设计特殊形状方向图的雷达是解决ETC雷达需求的重要方式。

微带贴片天线具有体积小、低剖面、质量轻、易集成、造价低等优点[2-4]。因此，将其应用于ETC雷达系统中，不仅能满足ETC雷达的性能指标，还能有效降低成本，更利于产业化[5-6]。

文献[7]提出了一种用于ETC雷达的8×16的微带相控阵天线阵列，其采用等幅同相的馈电方式先设计了1×16的线阵，通过控制8个端口的相位来实现波束扫描,没有进行加工实测；文献[8]提出了一种三天线系统，由一副8×6的发射天线和两副8×2的天线阵列组成，其采用了Taylor综合法实现了高增益、低副瓣、窄波束等要求，没有进行波束赋形设计，不能满足ETC雷达对天线的要求。

本文设计的微带天线阵列工作在K波段,采用了不等间距波束赋形的方法设计了一种在E面具有特殊形状方向图的收发天线系统，比文献[7-8]中介绍的应用于ETC雷达的天线更好地解决了ETC雷达对作用距离、作用范围以及减小其他方向的干扰的需求。

1 变尺度优化方法原理

在微带天线阵列的设计中，贴片的馈电相位与微带功分器的臂长相关，因此，微带单元贴片的馈电相位可以通过改变功分器的臂长和贴片的位置来实现。接下来将推导既包含单元贴片的馈电幅度、相位，又包括贴片位置的阵因子来作为优化的目标函数[9-10]。

1.1 阵因子函数的推导

推导四单元微带阵列的阵因子函数，各个阵元位置如图1所示。

图1 阵元位置示意图

I1e-jα1e-jkd2cosθ+I2e-jα3ejkd3cosθ+

I3e-jα3ejk(d3+d4)cosθ

(1)

式中：S(θ)为阵因子函数；In、αn分别为第n个单元的激励幅度与相位，an=Inejαnun=kdncosθ，θ=0°～180°，k=2π/λ。d1、d2、d3、d4与每个贴片所需的馈电相位相关，其关系为

d1=λg-(α0-α1)/360λg

(2)

d2=[λg-(α2-α1)/360λg]/2

(3)

d3=[λg+(α2-α1)/360λg]/2

(4)

d4=λg-(α3-α2)/360λg

(5)

式中：λg为介质波长。

1.2 变尺度算法

对贴片单元的激励幅度和相位进行优化，需要给出归一化目标函数F0(θ)，建立目标函数

(6)

式中：x=(I0,I1,I2,I3,α0,α1,α2,α3)为各单元的激励幅度与相位；θi为θ在-90°～90°内的第i个取样点；S(θi)=S(θi)/Smax为微带阵列归一化阵因子；Smax为阵因子最大值；S(θi)为1.1节中推导的阵因子，由式(1)给出。M为目标函数F0(θ)在θ=-90°～90°内的取样点数，可取M=1 800。

(7)

2 天线阵列设计

2.1 阵列单元设计

在本文的设计过程中，采用的基板材料为Rogers4350B，其介电常数为3.8，损耗正切角为0.009，厚度为0.254mm，敷铜厚度为0.017mm。采用HFSS软件的建模仿真，模型如图2所示，经过仿真优化之后的最终尺寸如表1所示。在中心频率24.125GHz达到5.8dBi，E面和H面归一化方向图如图3所示。

图2 单元结构示意图

表1 单元参数表 mm

参数计算值优化值备注L4．01354．1034贴片长度W3．10253．1025贴片宽度Ls/1．30开槽长度Ws/1．10开槽宽度Wf1．051．10馈线宽度Lf0．400．45馈线长度

图3 单元的E面、H面归一化方向图

2.2 发射天线设计

本文中的发射天线阵列要求增益大于11 dBi，E面波束最大值指向偏离法线方向15°，垂直波束宽度≥25°，垂直方向的最大值偏向一侧的副瓣电平≤-18 dB，另一侧第一零点电平≥-18 dB。H面要求波束宽度≥25°，副瓣电平≤-18dB。经理论计算需要设计成4×4的阵列，E面采用1.2节中得到的激励幅度相位来馈电，各单元的激励幅度及相位如表2所示，H面的激励幅度及相位如表3所示。设计满足上述单元激励幅度要求的功分器。将设计好的功分器和单元连接起来，经过仿真优化调整之后，阵列结构如图4所示。

表2 发射天线E面各单元的激励幅度及相位

表3 发射天线H面各单元的激励幅度及相位

图4 发射天线阵列结构

2.3 接收天线设计

接收天线的增益要求≥5 dBi，E面波束最大值指向偏离法线方向15°，垂直波束宽度≥25°，垂直方向的最大值偏向一侧的副瓣电平≤-18 dB，另一侧第一零点电平≥-18dB。水平面要求波束宽度≥60°，副瓣电平≤-18 dB。经理论计算，采用1×4阵列。E面各单元的激励幅度及相位如表4所示。并根据各单元的激励幅度相位设计功分器。将设计好的功分器和单元进行连接仿真优化微调后，接收天线阵列结构如图5所示。

表4 发射天线E面各单元的激励幅度及相位

图5 接收天线阵列结构

3 仿真与测试结果

根据要求两副接收天线的距离为d12=λ/2。同时，收发天线之间的隔离度应低于-25 dB，调整三副天线的相对位置。三天线的布局如图6所示。

图6 三天缰布局示意图

使用HFSS软件对上述结构进行仿真优化，将优化后的模型加工成实物，如图7所示。使用网络分析仪对天线的S参数进行测试，测试环境如图8所示。电压驻波比仿真与测试结果如图9所示，收发隔离度仿真与测试结果如图10所示。

图7 天线实物图

图8 驻波测试环境

图9 电压驻波比仿真、测试结果

图10 收发天线隔离度仿真、测试结果

由图9和图10知，在23.975 GHz～24.275 GHz的频率范围内电压驻波比<1.6，收发隔离度<-28 dB。结果表明：三天线匹配良好，且收发隔离度高，满足设计要求。

使用微波暗室的天线远场测试系统对天线辐射特性进行测试，测试环境如图11所示，仿真、测试结果如图12～图15所示。

图11 天线测试环境

图12 发射天线(TX)的E面归一化方向图

图13 发射天线(TX)的H面归一化方向图

由图12、图13可见，在三个频点上仿真与测试结果得到的归一化方向图吻合较好。测试结果表明：在所需频段内发射天线的增益>11.5 dB，H面副瓣<-18 dB，半功率波束宽度>25°，E面第一零点>-18dB，右副瓣<-16 dB，半功率波束宽度>25°，各项指标均达到预期。

由图14、图15可见，在三个频点上仿真与测试结果得到的归一化方向图吻合较好。测试结果表明：在所需的频段内接收天线的增益>5.5dB，H面副瓣<-20 dB，半功率波束宽度>60°，E面第一零点>-18 dB，右副瓣<-10 dB，半功率波束宽度>25°。

图14 接收天线E面归一化方向图

图15 接收天线H面归一化方向图

4 结束语

本文研究了四单元不等间距波束赋形的方法，利用该方法和切比雪夫综合法设计了一款三天线系统。实测结果表明：该系统各项指标满足设计要求，有效地提高了ETC雷达的作用距离和作用范围，并且减小了其他方向信号的干扰。因该天线系统结构简单、质量轻、价格便宜，满足批量生产的要求，在ETC雷达领域中有很大的应用价值。

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吴慧峰 男，1992年生，硕士研究生。研究方向为天线理论与设计。

王 建 男，1956年生，教授。研究方向为天线理论与技术，计算电磁学，微波测量理论与技术等。

饶玉如 女，1991年生，硕士研究生。研究方向为天线理论与设计。

Design of Microstrip Antenna Array at K Band

WU Huifeng，WANG Jian，RAO Yuru

(School of Electronic Engineering,University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

In order to improve the function distance, range and lessen disturbances from other directions, for meeting the needs of antennas in radars, a receiving and transmitting antenna system with special direction pattern is designed and optimized, adopting DFP-BFGS algorithm with unequally-spaced array. Then, a microstrip antenna array with TX and two RXs (RX1、RX2) integrated in a Rogers4350B material is designed and stimulated, forming special direction diagram in E-plane. At last, the triple-antenna is processed and tested, with result that the beam-forming in E-plane of the antenna array has a good effect, effectively improving the function distance and range of radar and lessening the disturbance of signals from other directions.

microstrip；beam-forming；triple-antennas system

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.11.013

吴慧峰 Email：1522770553@qq.com

2016-08-20

2016-10-25

TN82

A

1004-7859(2016)11-0061-05