基于不等功分比馈电网络的低旁瓣微带阵列天线设计

段东洋，胡林仁，郭庆功

（四川大学电子信息学院，四川成都，610065）

0 引言

微带阵列天线因其低剖面、重量轻、易于批量加工生产等特点被广泛应用于相控阵等电子系统中[1]。近年来，为了满足高性能电子系统的干扰最小化，对天线的低旁瓣提出了重要的要求。降低阵列天线旁瓣的方法主要有天线方向图综合法[2-5]、外加环形谐振器的方式[6-7]、不等间距阵列的方式[8-9]以及渐变天线尺寸来影响电流分布的方式[10-12]。其中文献[3]设计了的12×12微带阵列天线，其采用泰勒分布来调节贴片电流分布的方式实现了-23dB 的低旁瓣。通过多级并行的方式来为天线馈电，天线的面积较大。文献[6]设计了一款工作在X 波段的4×8 微带阵列天线，其通过添加互补开口环形谐振器的方式间接提供了天线的幅度加权，减小阵列两侧的旁瓣，实现了-21.5dB 的旁瓣。文献[8]设计了一款基于差分进化算法的1×16 不等间距线阵天线，将旁瓣电平作为优化目标、阵列间距作为优化变量，最终得到-19.17dB 的旁瓣。文献[12]设计了一款1×7 单侧馈电的串馈线阵天线，线阵阵元为7 个微带贴片，利用天线尺寸渐变的方式改变电流分布来优化天线波束宽度与旁瓣。虽然结构简单，但串联馈电造成了频带内方向图不佳。文献[13]设计了一种基于凹槽缝隙波导与微带结构相结合的6×8 阵列天线，通过匹配微带线过渡到槽隙波导结构实现了天线的高效益，旁瓣电平为-19dB。本文设计了一款高增益、低旁瓣的线阵天线以及与之匹配的馈电网络，以同轴底馈的方式进行馈电，提高了天线的空间利用率。通过切比雪夫分布设计，抑制旁瓣电平，实现了-25dB 的旁瓣以及21.7dBi 的天线增益。

1 理论分析

■1.1 微带天线理论分析

本文天线设计采用微带贴片作为线阵天线元件。结合传输线分析方法，计算微带天线尺寸近似值。介质基片的实际介电常数、厚度以及天线的中心频率已知，计算微带天线宽度为：

其中εr为介质基板的实际介电常数，相对介电常数εg可通过下式计算：

通过上述可计算出微带天线的理论尺寸，需对其进行优化来实现最优结果。

■1.2 馈电网络理论分析

功率分配器是电子系统中不可缺少的部分，其功能是将输入功率以一定的比例和相位分配到各个输出端口。微带T型功率分配器因结构简单，容易设计和加工，常用于阵列天线的馈电端。

图1 微带T 型功率分配器原理图

如图2 所示，T 型功率分配器的拐角处有高阶模或者杂散场，为了满足功率分配器与特性阻抗Z0的微带传输线相匹配，用集总电纳B 来估算能量存储得到：

图2 微带T 型不等功率分配器模型图

当微带传输线为低损耗时，特征阻抗为实数，式(5)简化为

根据式(6)和图1 可以得出，功率分配器的输出端阻抗大小会决定功率分配的大小，通过调节微带线尺寸来控制阻抗，从而实现不同比例的功率分配。

2 天线单元设计

天线单元采用单层结构的微带贴片，采用底部同轴馈电的方式输送能量。介质基板为Rogers 5880，介电常数为εr= 2.2、损耗角正切tanδ= 0.0009、厚度h= 0.762mm。结合理论分析最终优化得到天线的具体尺寸为W= 12.6mm，L= 9.86mm。

图3 底馈微带贴片模型

图4 底馈微带贴片模型（侧视图）

利用ANSYS 电磁仿真软件进行建模和仿真，得到了反射系数、E 面和H 面辐射方向图以及增益的结果，如图5、图6 所示。该天线在9.3-9.5GHz 的反射系数小于-10dB，中心频点反射系数为-30dB，在中心频点9.4GHz 下，最大辐射方向上的增益为7.03dBi。

图5 反射系数S11

图6 实际增益

3 馈电网络设计

为了实现该线阵天线单元的高增益、低旁瓣的要求，根据切比雪夫分布计算各个单元权重系数来设计馈电网络，得到从中心到边缘功率比依次：P16:P15:P14:P13:P12:P11:P 10:P9:P8:P7:P6:P5:P4:P3:P2:P1=1.00:0.98:0.94:0.88:0.81:0.73:0.64:0.55:0.46:0.37:0.29:0.22:0.15:0.10:0.07:0.05。

为了解决输出端口功率比过大的问题，馈电网络设计采用树状拓扑结构，由若干个一分二和一分三功率分配器并联构成。计算分析得到，功率分配器净尺寸为794.3mm×119.1mm×0.8mm。

图7 1 分32 不等功分比馈电网络模型图

阵元的位置及各端口的功率分配比和相位值如表1 所示。

图8 反射系数S11

表1 馈电网络端口功率分配和相位值

在中心频率9.4GHz 下，功率分配比基本一致，同时相位值基本相同，极差在5 度左右，并且馈电网络实现一定比例下同向不等激励的情况.。同时，天线在频带(9.28-9.56GHz)的S11 小于-10dB。

4 阵列天线整体设计分析

结合第四节设计的馈电网络，对天线进行组阵设计，其中阵元间距为 0.8λ0。模型如图9 所示。

图9 32 元微带线阵模型

线阵与馈电网络联合仿真设计，得到结果如图10～图13 所示。

图10 线阵反射系数S11

图11 线阵增益情况

图12 H 面波瓣图

图13 E 面波瓣图

在中心频率9.4GHz 下，在H 面上实现了旁瓣电平小于-25dB 的波束，3dB 波束宽度为2.42 度，增益也达到了21.7dBi。同时，天线在频段(9.28-9.56GHz)的S11 小于-10dB，达到了设计的要求。

5 总结

本文设计了一款高增益、低旁瓣的线阵天线，在频带9.28-9.56GHz 内满足S11≤-10dB，同时最大方向上增益为21.7dBi，旁瓣电平满足SLL≤−2 5dB。采用了一款不等功分比馈电网络进行馈电，在9.4GHz 工作频点满足功率分配比及相位的一致。满足指标的要求。同时该天线单元可应用于相控阵雷达等通信系统中，为后续大规模扫描阵列的实现提供保障。