K波段高增益低副瓣微带天线阵的设计

郭 婧 罗俊忻 王占平

(电子科技大学 成都 610054)

0 引言

微带天线以其重量轻、体积小、剖面低、易生产及易与电路集成等诸多优点，在卫星通讯、雷达、导弹遥测等领域得以广泛应用。目前，K 波段微带阵列天线已被广泛应用在各种雷达系统中，但其在民用系统中的应用还稍有局限。汽车防撞雷达是目前国内外市场非常热门的研究方向，根据我国工信部发布的24GHz 频段短距离车载雷达设备使用频率规划，规定24GHz 短距离车载雷达设备使用频率为24.25 ～26.65GHz，发射信号带宽(-10dB 带宽)至少500MHz。而天线的工作频带和辐射性能对车载雷达的好坏至关重要，一款高增益、低副瓣、窄波束、体积小的天线不仅可以增加雷达作用距离，提高收发前端信噪比，而且小型化结构也有利于前端电路集成。

本文设计并制作的这款K 波段谐振式微带天线阵，采用串并结合馈电方式，相比同类天线而言，馈电网络简单紧凑，可有效减少馈线损耗与杂散辐射，降低阵元间的互耦，并缩小天线体积。最终实测天线，带宽大于500MHz，增益大于20dB，副瓣为-20dB，E 面、H 面半功率波瓣宽度分别为16.7°和11.8°，波束宽度较窄，方向性较好。该款天线性能符合车载防撞雷达对天线的要求，具有广阔的市场前景。

1 天线设计

1．1 贴片单元设计

为了实现微带天线阵列的小型化，提高辐射效率，贴片单元的形式选取了谐振式的微带矩形贴片单元。采用贴片辐射边微带插入式馈电方法，通过在馈线与贴片接触处开槽来调节阻抗匹配，这种馈电方式不仅使阻抗匹配灵活易行，而且还有利于节省空间、减小体积，更适合天线组阵。

从经济节约和便于安装的角度考虑，本设计选用的基板为Rogers4350B，该基板的介电常数为3.48，tanδ 为0.0037，厚度为0.508mm。介质基片选定以后，就可以根据经验公式确定单元尺寸［1］。贴片宽度W的尺寸影响着微带天线的方向性函数、辐射电阻及输入阻抗，从而影响着频带宽度和辐射效率。根据文献［1］，可知，W 的计算公式如式(1)所示:

若W尺寸大于上式给出的值时，将产生高次模，从而引起场的畸变。

矩形微带天线的长度L在理论上取λg/2，但实际上由于边缘场的影响，在设计L的尺寸时应从λg/2 中减去2ΔL。L及ΔL的值由式(2)、(3)给出:

其中，c 为光速，fr为谐振频率，εr为基板的介电常数，εe为有效介电常数。εe可表示为:

通过计算，可得到微带贴片单元尺寸:W=4.09mm，L=3.01mm。工程上，馈线深入量I≈L/3，馈线深入处开槽宽度t根据仿真确定。

根据以上得到贴片单元的初始尺寸后，在Ansoft HFSS 仿真软件中建立仿真模型如图1所示。

在理论数值的基础上，经过对初始模型的仿真与优化，得到基本满足要求的贴片尺寸为:W=3.34mm，L= 3.09mm，I= 1mm，t= 0.45mm，s=0.29mm，仿真结果如图2所示。

图1 贴片单元仿真模型

由图2 可知，单元天线能很好地谐振在工作频带内，单元的最大辐射方向为z 轴正方向，仿真得到的最大辐射方向的增益约为7.46dB。下面则通过单元组阵的方式来提高天线的增益和减小波瓣宽度。

1．2 天线阵列的设计与优化

在将天线单元进行扩展组阵时，要依据所需求的方向图或者天线的其它指标来确定天线排布、阵元数目，合理控制各阵元的幅度、相位和间距［2］。本设计用于24.5G 车载防撞雷达的收发前端模块，要求微带天线阵列具有较高的增益以及尽量小的尺寸，便于集成化。由增益要求和收发前端对体积的限制，本文采用了均匀分布的8 ×6 元阵列进行设计。串并联结合的馈电方式不仅使匹配简单易行，更重要的是减小了馈电网络的损耗，大大节省了空间，为天线的小型化奠定了基础。

确定了微带平面阵列的形式和单元数目之后，为设计的简便，我们选择常见的边射阵来设计，即需要各单元同相馈电，同时，为减弱单元间的互耦效应、避免栅瓣出现，E 面和H 面间距均取一个波导波长λg［3］。

为尽可能地降低副瓣电平，我们选择泰勒综合法来实现非等幅馈电，并在天线阵的单元之间，加入四分之一波长阻抗变换段，通过调整各变化段特性导纳与传输线特性导纳之比来控制电流锥削分布，降低副瓣电平，保证端口阻抗匹配。整条线阵采用中心馈电，其示意图如图3所示。

图2 贴片单元仿真结果

图3 8 ×1 元线阵结构

阻抗变换段形成1:ni变压器，假设第一辐射元上输入电流幅度为1，那么得到I0=1;I1=n1;I2=n2n1;Ii= n1n2…ni-1ni［4］。根据泰勒综合法［5］，8元线阵按副瓣-30dB 的指标设计，求得一侧的电流分布为I1:I2:I3:I4=1:0.8187:0.5287:0.2906。同理，也可求得纵向并馈线的电流分布。通过电流分布，可计算出相应的四分之一波长段阻抗变换器的线宽［6］。至此，馈电网络的设计已完成，该串并馈结合馈电网络在保证为各阵元提供所要求的激励幅度和相位的前提下，还兼具了并联馈电和串联馈电的优点。

现将贴片单元和馈线组合起来，在原来的理论设计值上，对阵列进行仿真优化。由于阵列单元较多，仿真时需要的计算资源比较大，所以选用基于有限元积分算法的电磁仿真软件CST 对阵列天线进行仿真，采用同轴线底部馈电，仿真模型如图4所示，经过优化后，该天线仿真结果如图5、图6所示。

图4 8 ×6 元阵列天线结构示意图

图5 阵列天线反射曲线

图6 E 面和H 面方向图

仿真结果显示，所设计的微带阵列天线驻波特性良好，带宽大于500MHz，增益达到21.9dB;且通过优化馈线和阻抗变换段的宽度，较大幅度地降低了天线副瓣电平，E 面、H 面第一副瓣电平均小于-24.5dB，波瓣宽度分别为17.4°和12.1°，实现了高增益、低副瓣、窄波束的效果。

2 天线测试结果

根据上述仿真模型所制作的天线实物见图7，天线的外形大小为60mm ×45mm ×0.5mm，利用安捷伦矢量网络分析仪N5222A-200 测得其驻波特性见图8。

图7 阵列天线实物

图8 实测天线驻波系数

在电子科技大学微波暗室中测得阵列天线的方向图如图9。

由图可见，实测阵列天线的反射系数约-30dB，驻波良好，带宽大于500MHz，天线阵列最大增益可达20.2dB，E 面第一副瓣电平为-20dB，半功率波束宽度为16.7°;H 面第一副瓣电平为-19dB，半功率波束宽度为11.8°。实测与仿真相比，驻波良好;最大增益略有下降，副瓣电平有所上升，但波束宽度变窄。原因可能是在较高的波段，实际的加工精度达不到，测试中引入的误差以及各种损耗等等，都会对天线效果产生影响。在天线阵的设计中，极窄的主瓣宽度和较低的副瓣电平是难点所在，从实测结果可知，该款天线在主瓣宽度和副瓣电平之间，取得了较好的平衡，副瓣电平较低，主瓣宽度也窄。且实测增益比理论计算增益只小了3dB，说明该天线辐射效率高，损耗小。

图9 天线方向图测试曲线

目前，该款天线已经应用于车载防撞雷达收发前端进行测试，效果良好，性能稳定。

3 结语

本文设计了一款谐振于24.5GHz，带宽为24.25～24.85GHz 的微带贴片阵列天线，在对其进行仿真优化的基础上，制作并测试了实体天线。各项指标的测试结果与仿真结果吻合较好，电性能和辐射性能良好。实测结果证明串并联结合的馈电方式，有效损耗较小，能提高天线整体的辐射效率，紧凑的天线结构也有利于减小阵列中心的阵元互耦。本文研制的K 波段微带阵列天线，具有高增益、较低副瓣、窄波束、小体积等优点。国内汽车防撞雷达的研制尚处于起步阶段，这种结构紧凑、性能优越的天线阵能有效满足车载防撞雷达的要求，在该领域有广阔的应用前景。

［1］张钧，刘克诚，张贤铎，赫崇骏.微带天线理论与工程［M］.北京:国防工业出版社，1988，113-118.

［2］C.Niu，J.She，Z.Feng.Deign and simulation of linear series-fed low-side lobe microstrip antenna array［C］.Microwave Conference Asia-Pacific，2007，1-4.

［3］D.M.Pozar，D.H.Schaubert.Microstrip antennas-the analysis and design of microstrip antennas and arrays［J］.IEEE Trans on Antennas and Propagat，1995.

［4］恽小华，陈春红，孙琳琳，等.一种具有加减信道的低旁瓣微带天线阵［J］.电子学报，2003，31(12A):2009-2011.

［5］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.

［6］R.S.Elliott.Antenna Theory and Design［M］.Prentice-Hall Englewood Cliffs(USA)，1981.