波束扫描阵列天线设计及关键技术要点

许扣山

摘要：天线能依照指定方向发射辐射波及接收电磁波信号，其功能优势在很大程度上影响无线系统的工作和運转性能。波束扫描阵列天线是有排列规律的天线阵，它覆盖范围较大，胜任多项工作。本文探讨该天线的设计原理及其技术要点，以供参考。

关键词：波束扫描；阵列天线；设计

中图分类号：TN882 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）09-0221-01

近年来，波束扫描阵列天线由于自身具备多项优势，因而受到通讯领域的青睐，被广泛运用于移动通讯，军用通讯无线网络等多个领域，因为当前国内的经济迅速发展，科学技术更进一步，所以针对波束扫描阵列天线的相关研究也就得到了多方人员的重视和关注[1]。

1 波束扫描阵列天线的基本技术原理分析

波束扫描阵列天线整体上是以阵列天线、移相器以及功分网络三个部分所构成。它的技术原理：运用改变阵列天线每个单元的激励相位及其激励幅度，对整个阵列天线的主波束的发射方向与主波束形状作合理调整。

在阵列天线设计中我们是以馈电的幅度变化对主波束的形状进行影响，在这个过程中，就需要对功分网络进行适当的设计以实现对阵列天线单元的激烈幅度的控制。

2 宽带波束扫描阵列天线设计技术要点

2.1 宽带阵列天线设计

在宽带阵列天线设计过程中，设计人员使用Quasi-Yagi天线单元设计四个单元的均匀直线阵，而且在设计时必须全面考虑移相器所需要的最大相移范围，SLL最大限度的扫描范围及其增益损失后，再找出合适的单元距离d值。

工作人员发现绝对值a为70度，d值为19毫米时阵列天线主波束可以在水平面负15度到15度之间的空域内达成扫描效果。在中心频率为5Gh的情况下，a值为0度、-70度以及70度时增益模拟仿真效果分析：（1）a为70度的时候，主瓣指向偏离中心约-15度；（2）a为-70度的时候，主瓣最大指向偏离中心约15度，而SLL接近-11db。

当馈电相位反应差a为70度及-70度的时候，该列阵在中心频率为5Gh的情况并且处于最大限度的扫描范围时，它的最大增益大体上约是9.8db。当馈电相位反应差a为0度的时候，该列阵在中心频率为5Gh的情况并且处于最大限度的扫描范围时，它的最大增益大体上约是9.9db。同时最大增益随着扫描角度的不断增加反而下降，副瓣电平却提高，方向图也随之产生了畸变。通过数据模拟，我们可以得知，2db的波动幅度不会影响天线的性能，然而在波动高于±30度的情况下，天线的SLL会大幅度的提升，所以我们在设计移相器时，要避免其的相位波动幅度过大，以此来提高线性度。

2.2 宽带移相器设计

通常应用宽边多层耦合结构进行移相器的设计，这个耦合结构通过俩层特性一样的介质板及其三层导电层构成，这样的构成性能可以与俩层共地微带线的叠加效果相比拟。铜皮质的椭圆结构，公共地是由中间存在椭圆缝隙的导电层充当的，而且铜皮质的微带线是利用椭圆缝隙来耦合的。与传统窄边的耦合器相比较而言，这样的结构带宽特性更优[2]。

首先，对宽带移相器的构成部分——宽带定向耦合器进行设计，设计者能够应用传统的奇偶模式分析法进行相关设计，此法可以忽略四个微带线联结端口，把上下的椭圆贴片与缝隙等效作为矩形贴片和矩形缝隙。缝隙可利用良导体做替换，因为这个结构分上下对称，所以能够对上部分做直接分析再对等到下部分。上部分的电场通常分布在矩形贴片和地面之间，因为边缘效应造成了微带线边缘附近的电场的弯曲，此电场与微带线电场分布有很大的相同之处，在奇偶模式的激励下，上部分电场可等效为特质电阻的微带线，特性抗阻越小，微带线宽度越大，边缘效应则越弱。

除此之外，设计人员可以进行宽带移相器的联合仿真功能，这个过程设计人员利用Ansoft designer、HFSS，来完成反射式模拟移相器的仿真设计，具体如下：（1）利用Designer新建一个Circuit Designer工程，同时对此工程的层叠结构进行设置，从而使其和HFSS中的耦合器仿真模型一致。（2）利用AddHFSS模型功能把HFSS中的宽带耦合器仿真模型添加到Designer中的原理图中，从而产生模型的应用实例（3）在移相器的端口利用微带线进行反射终端模型的搭建，而且同时关注微带线所在层的选择。（4）进行变容二极管的SPICE模型的搭建，在反射终端的搭建中要重视变容二极管。（5）完成仿真频率及其对应的设置，在进行仿真的运行。在设计过程中，要利用反射网络的微带线的长度及宽度的调节，从而让移相器的相移幅度高于210度。

2.3 宽带功分器设计

利用切比雪夫通带内的波纹特性进行功分器的设计工作：

（1）首先对一分二功分器进行设计，在这个基础上进行一分四功分器的设计，一分二功分器的相对带宽标准要等于或者高于百分之四十，反射系数要低于-15Db。另外俩节解体变换能够确保全部的工作带宽的要求。通过微带线数据公式能够获知每节微带线的长、宽度，利用Ansoft Designer对微带电路进行搭建，实现一分二功分器的电路仿真模拟。

（2）对于一分四功分器的设计而言，一定要使阵列天线单元的间距和四个输出端口的距离一致。而且，一分四功分器使一分二功分器联结而成的。一分二功分器的输出端级联俩个一样结构的功分器，通过这样的级联实现一分四功分器结构的仿真模拟效果。

（3）设计者通过Ansoft Designer及其HFSS的联合仿真模拟功能进行功分器相关部件的联合仿真，从而实现完整的电控波束扫描天线系统运作的模拟。其中联合仿真模拟利用了微波网络分析，把相关的部件封装为黑盒子，通过端口网络的相关参数进行级联从而分析出了整个系统的特性，以实现技术设计的仿真模拟效果[3]。

3 结语

伴随着现在社会各行各业的高速数据的共享和传输的需求大幅度的增加，天线必须进行更高标准的升级换代。波束扫描阵列天线的应用非常广泛，能产生巨大的经济效益及其社会效益。现行天线技术尚未达到实用需求，所以掌握波束扫描阵列天线的设计原理和它的设计技术要点，对于我国的通讯安全、可靠、效率以及天线的普及与量产有很重要的意义。

参考文献

[1]钟亚君.用于UHF频段的RFID波束扫描阵列天线设计[J]电讯技术，2016，（2）：171-175.

[2]张昀剑.一维超宽带阵列天线时域波束扫描分析[J]火控雷达技术，2013，（2）：87-92.

[3]钟亚君，吴次南，刘泽文.用于UHF频段的RFID波束扫描阵列天线设计[J].电讯技术，2016， 56（2）：171-175.endprint