微带天线阵的设计与实验教学研究

傅世强， 李婵娟， 房少军

(大连海事大学 国家级电工电子实验教学示范中心， 辽宁 大连 116026)

微带天线阵的设计与实验教学研究

傅世强， 李婵娟， 房少军

(大连海事大学 国家级电工电子实验教学示范中心， 辽宁 大连 116026)

本文提出了在天线课程的实践教学中增加微带天线阵的设计性实验。该实验通过对天线阵的软件仿真、实物制作以及仪器测试，让学生掌握设计天线阵的思路和方法，同时增加创新性实验内容，鼓励学生自主研究。该实践教学方式较好地培养了学生的实践能力和工程应用能力。

微带天线阵；馈电网络；设计性实验

0 引言

由于微带阵列天线具有高增益、强方向性、辐射效率高以及副瓣低等优势，国内外许多专家学者多年来一直致力于微带阵列天线的研究，研究结果已应用于卫星通信、雷达、遥感等多个领域中[1-4]。

目前，国内许多高校已经开设了电波天线类课程，也相应配套了一些实践教学环节，但由于天线实践课程开设的硬件条件要求高、难度大等原因，即便是有条件的院校也仅停留在开设测量天线的方向性等验证性实验上，或者采用虚拟仿真的形式开设实验，缺少创新设计性内容，而针对阵列天线开设的实验则相对更少[5，6]。随着Ansoft HFSS等电磁仿真软件在高校的广泛应用，部分高校已经开设了一些让学生参与仿真的实验，但也仅停留在仿真设计环节，缺乏实际动手操作内容[7-11]。

针对这一现状，本文提出的实验教学内容是设计两种四元微带天线阵，一种为均匀馈电天线阵，另一种为不均匀馈电天线阵。通过对比这两种不同馈电网络下微带阵列天线的设计过程，对这两种微带阵列天线进行了深入研究。通过设计、仿真、制作和测试几个环节，使学生深入理解理论知识的同时，也能够锻炼学生的动手实践能力和工程设计能力，真正做到理论和实际相结合，达到学以致用的目的。

1 微带天线阵的设计

1.1微带单元天线的设计与仿真

为降低实验成本，采用厚度1.5 mm的FR4板作为介质基板，介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。天线要求设计的频率为2.45 GHz开放频段。根据要求设计的微带贴片单元天线结构如图1(a)所示，单元的馈电采用嵌入式侧馈的形式。根据矩形微带天线的传输线模型理论计算出的初始数据，经过HFSS建模优化仿真后，得出最优的单元天线的尺寸，即微带贴片的宽度W为37.26 mm，长度L为28 mm，嵌入式馈电深度d为6.8 mm，宽度m为7.5 mm。使用特性阻抗为50 Ω的微带传输线实现输入阻抗匹配，将同轴接头与辐射贴片连接起来，宽度W为2.81 mm。

(a)单元天线结构图

(b) 仿真的S11曲线图

(c) 仿真的立体方向性图图1 单元天线仿真模型及结果图

经过HFSS仿真优化后的单元天线S11曲线如图1(b)所示，观察到其谐振频率发生了微小偏移，在2.46 GHz处S11为-22 dB，反射系数极小，具有良好的匹配特性，符合设计目标。从仿真的方向性图1(c) 中可以看出，该单元天线的增益不高，只有3.58 dB，这是由于采用了损耗较大的FR4板材的原因，因此需要组建天线阵来改善其增益和方向性。

1.2均匀馈电微带天线阵的设计与仿真

为了改善上节所述的单元天线增益不高、主瓣宽度太大、方向性不强的缺陷，实验要求设计一个1×4的均匀直线阵，取四元天线阵的相邻阵元之间的距离为61 mm，即二分之一自由空间波长。为了构成均匀馈电天线阵，每个阵元的馈电电流需等幅同相，因此采用串联馈电的形式，且选取一侧相邻两个阵元之间的馈线长度为一个介质波长。设计馈电网络时，为了保证阻抗匹配，仍采用常见的四分之一波长传输线匹配法。最终设计的天线阵结构如图2(a)所示，由于馈电中心左右阵元是对称的，因此左侧两个阵元分别经过特性阻抗为35.4 Ω和70.7 Ω两个四分之一波长变换器后的最终输入阻抗为100 Ω，右侧同样也变换为100 Ω，这样在馈电点并联后的最终输入阻抗为50 Ω，与50 Ω的同轴线实现了阻抗匹配。

HFSS仿真的S11图如图2(b)所示，H面方向性图如图2(c)所示。可见，组阵后天线阵谐振在2.47 GHz，仍然有稍微的频率偏移，但是依然在允许范围内。此时，在谐振频率处S11为-23 dB，满足设计指标。该天线阵的-10 dB带宽为68.9 MHz，带宽比较窄，符合微带天线带宽窄的特点。由图2(c)可得，组阵以后阵列增益为8.6 dB，与阵元增益相比有明显提高；而且与单元天线的方向图相比，均匀阵列的方向性图明显向中间压缩，有两个较小的副瓣，方向性增强，波束变窄。天线阵的最大辐射方向增益为8.6 dB，主瓣宽度为27°。

1.3不均匀馈电微带天线阵的设计与仿真

不均匀馈电天线阵的阵元结构与均匀天线阵的阵元相同。但在阵列设计上，由于四个阵元的电流振幅比要求满足二项式分布(1:3:3:1)，为了后续馈电网络匹配的方便，预先将单元天线的输入阻抗设计为133 Ω，再经HFSS仿真优化后得到对应的阵元尺寸。设计的一个1×4不均匀馈电天线阵结构如图3(a)所示，阵元间距仍为二分之一自由空间波长(61 mm)，为保证同相馈电，一侧相邻阵元之间传输线的长度仍为一个介质波长。与均匀馈电天线阵不同的是，一个介质波长的传输线由两段不同阻抗的四分之一波长传输线和四分之三波长传输线组成，构成变压器功能以实现阻抗变换和二项式电流分布的要求[12]。除了阵列两侧的四分之一波长阻抗变换段采用33 Ω的微带线以外，其他部分馈线均采用99 Ω的微带线。

(a) 阵列天线结构图

(b) 仿真的S11曲线图

(c) 仿真的H面方向性图图2 四元均匀馈电天线阵仿真模型及结果图

由仿真的S11曲线图3(b)可见，不均匀馈电天线阵谐振在2.43 GHz，虽然频率有少许偏移，但是依然在允许范围内。此时，在谐振频率处S11为-15.18 dB，满足要求。该天线阵的-10 dB带宽为66 MHz，带宽仍比较窄。由图3(c)可知，阵列天线的主瓣已经压缩，方向性变强，但组阵以后阵列增益为6.85 dB，小于均匀馈电的天线阵，且主瓣宽度为40°，没有副瓣，较好地增强了方向性。

(a) 阵列天线结构图

(b) 仿真的S11曲线图

(c) 仿真的H面方向性图

2 微带天线阵的实验教学

为了改善原先天线实验教学形式和内容创新性不强的缺点，进一步提高学生的动手能力和学习兴趣，在前文所述的设计和仿真基础上，还在微带天线阵的实验内容中，增设了实物制作以及测试的过程。实物制作时，为学生提供FR4介质板、铜箔、雕刻刀、刻度尺等耗材和工具，学生将HFSS仿真出来的版图进行打印，再按照图纸上的尺寸，在铜箔上剪刻出对应的天线阵结构，贴在介质板上，即可完成实物制作。如图4所示。

介质板上方为1×4不均匀馈电天线阵，下方为1×4均匀馈电天线阵。利用学校实验室提供的矢量网络分析仪以及天线转台，对制作出来的微带天线阵进行测量，实测结果与仿真结果比较后发现，两种天线阵实测的谐振频率和仿真结果都发生了一定程度的频率偏移。谐振频率的S11值，均匀馈电天线阵实测结果-18.4 dB比仿真结果-23 dB高，不均匀馈电天线阵实测值-17.3 dB比仿真结果-15.18 dB要低；均匀馈电天线阵的-10 dB带宽58.4 MHz要小于仿真结果68.9 MHz，不均匀馈电天线阵的实测带宽85.9 MHz则大于仿真结果66 MHz。以上数据表明：①实物制作的过程必然会引入一定程度的误差；②学生通过动手制作然后测试，再进行数据的分析与比较，会对工程上研发微带天线阵的过程有深入的体会。

图4 加工制作的微带天线阵实物测试图

上述微带天线阵的实验教学过程中还可以在馈电网络的结构上引入一些设计性内容，例如二项式分布改为切比雪夫分布、泰勒分布等；天线阵的布局还可以采用并联式或者级联式等；馈电结构也可以增加圆极化结构等。此外，学生通过前述实验内容熟悉了实验流程，再根据新的设计要求自行设计天线阵结构和尺寸并制作实物进行测试，从而完成设计性实验内容。实施此类实验时，可以先从简单结构入手，由天线单元设计逐渐过渡到难度较高的天线阵设计，让学生由浅入深，循序渐进地了解整个天线的设计和制作测试过程，逐渐提高学生的工程应用能力。

3 结语

本文以两种微带阵列天线为例，介绍了一种适合在高校推广的创新设计性天线实验。该实验过程包括利用HFSS三维电磁仿真软件进行天线的优化仿真设计、实物加工制作以及最后利用矢量网络分析仪进行天线阵实物的测试。通过整个实验过程，学生不仅可以进一步了解工程上天线的开发流程，而且极大地锻炼了动手操作能力，激发了学习兴趣和研究潜力。同时，该实验具有创新设计性内容，学生熟悉了实验流程后，可自行设计实验方案，并通过实测结果与仿真结果的对比熟练掌握天线的各种性能指标的优化方法，提高总结分析能力，为将来的工作与科学研究奠定坚实的基础。

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DesignandExperimentalTeachingofMicrostripAntennaArray

FUShi-qiang,LIChan-juan,FANGShao-jun

(CenterofNationalElectricalandElectronicExperimentTeaching,DaLianMaritimeUniversity,Dalian116026,China)

The designing experiment of microstrip patch antenna array in practical teaching has been proposed in this paper. From the experiment, students can master antenna array design ideas and methods through software simulation, physical production and instrument test. Meanwhile, students are encouraged to study independently by increasing the content of innovative experiments. The practice teaching method can improve the students′ practical ability and engineering application ability.

microstrip antenna array；feed network； designing experiment

2016-09-27;

2016-12-01

大连海事大学教改项目(2016Y23)资助

傅世强(1981-)，男，博士，副教授，主要从事天线与射频电路方面的教学和科研工作，E-mail: fushq@dlmu.edu.cn 李婵娟(1982-)，女，硕士，实验员，主要从事射频与微波技术方面的实验教学工作，E-mail: lichj@dlmu.edu.cn 房少军(1957-)，男，博士，教授，主要从事电磁场与微波技术方面的教学和科研工作，E-mail: fangshj@dlmu.edu.cn

TN820; G642.0

A

1008-0686(2017)05-0126-04