王安康,杨 林,栗 曦
(西安电子科技大学 天线与微波技术国家重点实验室,西安 710071)
矩形微带串馈天线阵的设计与分析
王安康,杨 林,栗 曦
(西安电子科技大学 天线与微波技术国家重点实验室,西安 710071)
对矩形微带串馈梳状天线阵的设计理论和方法进行了研究,从等效电路中分析得到阵元参数的提取办法。采用加四分之一波长阻抗变换段的方法,降低串馈阵的副瓣电平。在理论的基础上,设计了1×8的矩形微带串馈阵,使用HFSS对其阵列进行仿真,结果达到要求的指标。
微带串馈天线阵; 副瓣电平; HFSS
微带天线由于具有成本低、重量轻、低剖面、体积小、电性能多样化、制作简单等优点,得到广泛的应用[1]。微带线阵常以微带线构成的馈电网络对每个辐射单元进行馈电,不仅可以提高天线增益,而且可以通过波束赋形技术,在阵列上实现特定的电流分布来得到期望的天线方向图,改善天线的方向性。但阵元的增加并不能使其增益增加相应的倍数,有一部分由于馈线的加长而造成损耗[2]。串馈阵列由于馈电网络简单、紧凑,所以损耗较小,使用串馈阵还能方便有效地组成面阵。
矩形微带梳形阵是一种串馈线阵,可以是行波阵形式,也可以是驻波阵形式。用加四分之一波长阻抗变换段来实现降低副瓣电平[3]。通过与等幅同相串馈阵相比较,可知利用幅度加权能够减小副瓣电平。
1.1 串馈阵的相位关系
天线波束指向在空间变化时,相邻微带线天线单元的相位差为馈线相位差与空间相位差之和[4],自由空间波长为λ0,微带中的介质波长为λg,则有:
(1)
单元同相激励,有:
(2)
边射阵θ=0°时,阵辐射性最强,则d=λg,考虑到栅瓣的影响,还应满足方程[5]:
(3)
对边射阵,βm=π/2, 不出现栅瓣的条件为d<λg。其中,θ为波束指向角;βm为阵轴与射线r之间的夹角;φm为正侧向与射线r之间的夹角;c为自由空间的光速;f为谐振频率。
1.2 阵列激励
常用的分析方法有传输线模型法、空腔模型法、矩量法、有限元法及时域有限差分法[6]。本文主要用传输线模型法来分析各阵元上的电流幅度锥削对副瓣电平的影响。串馈线阵的结构示意图如图1所示。
图1 矩形串馈阵的结构图
对于微带串馈阵,单元电流幅度的加权分布可以用四分之一阻抗变换段来实现,利用传输线模型分析微带天线,加权后的线阵等效电路如图2所示。
图2 矩形串馈阵的等效电路图
由1.1节串馈阵的相位关系分析可得各阵元要想同相辐射,阵元间距应为λg。假设各单元的输入导纳一样,则阵元的输入导纳为YA,从馈线中心向右侧看去的导纳为Yin,四分之一阻抗变换段的特性导纳为Yci(i=1,2,3,4),设从i端向右(终端方向)看去的导纳为Yi,则有[7]:
(4)
即Yi=YA+ni2Yi+1,ni=Yc2/Yc1=Zc1/Zc2,所以有N=2n=4的8元线阵,从中心馈电向右侧看去的输入导纳为
(5)
右侧输入阻抗:
(6)
可得总的输入阻抗:
(7)
ni将决定各单元的电流幅度,相邻两节四分之一阻抗变换段形成一个1:ni的变压器,令中心馈电处的贴片电流为1 A,那么计算可得各单元的相对贴片电流为
(8)
实际设计中,还需在馈电与第一个单元连接前加1个四分之一波长阻抗变换段,由式(6)推导得到:
(9)
2.1 阵列设计
采用相邻单元间加一段阻抗变换段的办法来实现电流不等幅分布。微带线阵为8元,采用介电常数4.4、厚度1.6 mm的介质基板,按低于主瓣最大值副瓣电平-20 dB来计算,得到副瓣电平取-20 dB的道尔夫-契比雪夫归一化电流幅度分布,如表1所示。
表1 电流幅度分布归一化
选定Zc0=100 Ω, 总的输入阻抗Zin1=50 Ω和50 Ω的微带线匹配,以方便日后组阵。
代入式(8)可得n1=0.894,n2=0.866,n3=0.707, 于是可求得四分之一波长阻抗变化段的特性阻抗分别是Zc2=89.4 Ω,Zc3=86.6 Ω,Zc4=70.7 Ω, 由式(9)计算可得Zc1=60.86 Ω。
辐射单元采用方形贴片,边长11.44 mm,模型示意图见图3, 微带串馈阵的模型图见图4,幅度加权后的微带串馈阵的模型图见图5。
2.2 HFSS仿真结果
设计了等幅同相和不等幅同相8元微带串馈阵,通后三维电磁仿真软件进行仿真,得到回波损耗及辐射方向图,如图6~9所示。
图3 贴片单元模型图
图4 等幅同相微带串馈阵建模图
图5 不等幅同相串馈阵建模图
图6 等幅同相串馈阵的回波损耗图
图7 等幅同相串馈阵的辐射方向图
经仿真优化得单元间距为27.4 mm时能有效地辐射,微带线的阻抗为100 Ω,通过添加四分之一波长阻抗段使得各单元与串馈阵有一个较好的匹配。从仿真结果上能够得出,天线增益约为13 dB,等幅同相和契比雪夫电流分布的同相串馈阵副瓣电平理想状态下分别为-13.3 dB和-19.4 dB,而实际仿真的等幅同相串馈阵的副瓣电平为-14.4 dB,比理想状态的副瓣电平还要低,这是因为实际仿真很难使各单元的辐射电流完全一样。不等幅同相的串馈阵实际仿真的副瓣电平为-18.7 dB,与理论计算值相差不大,所以验证了梳状阵的可行性。
图8 不等幅同相串馈阵的回波损耗图
图9 不等幅同相串馈阵的辐射方向图
以微带梳状阵的理论分析为基础,通过等效电路得出微带线阵的单元参数提取方法。通过实验验证了四分之一波长阻抗变换段能够对贴片单元的电流幅度加权,以达到降低副瓣的效果。这种设计微带线阵的方法简单有效,对实际的工程应用有很大的价值。
[1] 钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,1991.
[2] 尹家贤,刘克成.串馈微带天线阵的增益和方向图计算[J].国防科技大学学报,2000,22(1):43-46.
[3] 傅亦源,柴舜连,毛钧杰.低副瓣串馈微带天线阵设计[J].舰船电子工程,2004,24(2):77-80.
[4] 张光义.相控阵雷达系统[M].北京: 国防工业出版社,1994.
[5] 王建,郑一农,何子远.阵列天线理论与工程应用[M]. 北京:电子工业出版社, 1998.
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[7] 梁昌洪,谢拥军,官伯然.简明微波[M]. 北京:高等教育出版社, 2006.
Design and Analysis of a Series-Fed Rectangular Microstrip Array Antenna
Wang Ankang,Yang Lin,Li Xi
(National Key Laboratory of Antennas and Microwave Technology, Xidian University,Xi’an 710071,China)
The design theory and method of rectangular microstrip comb antenna arrays are studied, and the equivalent cirsuit is analyzed to obtain an extracting method for the array element parameters. The side lobe level(SLL) of series-fed microstrip arrays is reduced by using quarter-wavelength transformer. The 1×8 series-fed rectangular microstrip antenna array is designed on basis of the theory, and the array is simulated by HFSS. The results show that the required specification is achieved.
series-fed microstrip antenna arrays; SLL; HFSS
10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.06.002
2016-09-30
王安康(1992-),男,河南开封人,博士研究生,研究方向为天线理论与工程技术。
TN82
A
1673-5048(2016)06-0009-03