平面结构阵列天线的仿真分析*

张 健，刘晓倩，刘 燕，李 茹

（西北工业大学明德学院信息工程学院，西安710124）

1 引 言

随着现代雷达和通信技术的蓬勃发展，各种微波射频系统对天线性能的要求日趋具体和严格。因微带天线自身独特的优点，在通信、雷达等多个领域已被广泛应用，这就要求阵列天线不仅要具有特定形状的波束，还要结构紧凑，且体积和重量尽可能小，以满足不同条件下的工程需要。阵列天线是由若干个天线单元按一定方式排列并给予适当激励获得预定方向图特性的天线；阵列天线的方向图特性是由天线单元数目、各单元间距、排列形式、幅度和相位五个要素确定的，同时还要考虑阵元自身的特性对阵列天线的影响。阵列天线在结构上由载流线元、口径面元、尺寸较小的微带贴片等组成。通过对阵元数量、结构形态、排列方式、馈电幅度和相位的选择与优化，可得到单个天线元无法实现的辐射特性。因此，研究具有低副瓣、高增益特性的微带阵列天线的小型化、轻量化、高机动性，具有重要的工程意义。

2 微带阵列天线原理

微带天线的构成，是在介质基片上，一面用光刻腐蚀等方法制成特定形状的金属辐射贴片，另一面敷上金属薄层作为接地板，再采用微带线、同轴探针或其它馈电方式进行馈电，使辐射贴片与接地板之间激励出辐射电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射出去[1-3]。其结构如图1所示。

图1 微带天线结构图

依据分析微带线的方法不同，有不同的辐射原理。在此以矩形贴片微带天线为例简述其工作原理。对于矩形贴片微带天线，可采用传输线模型理论来分析其性能。假设辐射贴片的长度为L≈λ/2，宽度为W，介质基片的厚度为h≪<<λ0/2（λ0为工作波长）。当只有主模激励（TM10模）的条件下，电场在长度L 方向只有λg/2 的改变（λg为微带传输线的波导波长)，而宽度W 方向上保持不变。

微带天线的辐射原理如图2所示。由图2(a)中可见其辐射可看成是由辐射贴片开路端的边沿激励的，而在两开路边的电场可以分解为相对于接地板的水平分量和垂直分量。由于辐射贴片长度L 约为半个波长，其两开路端电场垂直分量的方向相反，则在正面方向上由它们产生的远场将会相互抵消；而水平分量方向相同，合成的场强加大，则垂直于天线表面方向上的辐射场最强。如图2(b)所述，两开路的电场水平分量可以等效为无限大，平面上同相激励并向地板以上空间辐射的两个缝隙，其宽度ΔL≈h（h 为基片厚度)，长度为 W，两缝隙间距约为半波长，缝隙的电场沿着W 方向均匀分布，电场方向垂直于W 方向。

图2 微带天线辐射机理图

阵列天线按分布形式一般分为线阵和面阵。通常线阵为均匀直线阵。各阵元可按不等间距排列，也可不按直线排列，如在圆周上排列；平面阵则在某一平面上由多个直线阵按一定间隔排列成天线阵；球面阵则是各单元的中心排列在球面上[4]。

微带天线单元的增益较小，一般单个贴片单元的增益只有6~8dB，为了提高增益、增强方向性、提高辐射效率、降低副瓣、形成赋形波束和多波束等特性，往往需要将辐射单元按照一定的方式排列和激励，这就构成了微带阵列天线结构。

3 矩形微带贴片天线的设计及仿真

3.1 介质基片的选取

微带天线设计首先要选择合适的基片，并确定其厚度h，它们决定了微带贴片的尺寸，并直接影响着微带天线的一系列性能指标。由于本设计中的天线工作于Ku 频段，所以采用Arlon AD 270 材料的介质，基片尺寸为 WG=W+0.2λg，LG=L+0.2λg，整体构造如图3所示。而LG 由馈线和阻抗变换器的尺寸而定。实际使用中，通常沿辐射元各边向外延伸2倍以上的基板厚度[5]。

图3 微带贴片天线俯视图

3.2 微带辐射贴片尺寸计算

设计一长为L，宽为W 的矩形微带天线，结构如图4所示。

图4所设计的矩形微带贴片天线

设计微带贴片天线的第一步是选择合适的介质基片，假设介质基片的介电常数为εr，对于工作频率为f 的矩形微带天线，可以用下列公式设计出高效率辐射贴片对应的宽度W，即：

式中，c 为光速。

辐射贴片的长度一般取λe/2，其中λe为内波导波长，即为：

考虑边缘缩短效应，实际的辐射单元长度L为：

式中，εe是有效介电常数，ΔL 是等效辐射缝隙长度。它们分别可用下列公式计算：

选取的介质板为Arlon AD 270，可根据式(1)～式(5)计算出天线的参数，结果如表1所示。

表1 天线参数尺寸 单位：mm

3.3 微带贴片天线仿真及结果

在Ansoft HFSS15 软件中对所设计的单元天线建模，并对其进行了仿真。创建的模型如图5所示。

图5 矩形贴片天线模型

由仿真得到S11 的散射图如图6所示。可见，微带天线谐振频率在16GHz 附近，且在16GHz 频点上的回波损耗值为-21.25dB 左右。

图6 天线单元的S11 参数图

由仿真得到的微带天线驻波特性曲线如图7所示。可见，天线在中心工作频率f0=16GHz 处，电压驻波比VSWR=1.18，实现了良好的阻抗匹配；相对阻抗带宽（VSWR≤2）为1.8%。

图7 天线单元的驻波特性曲线

由仿真得到的微带天线的输入阻抗特性如图8所示。可见，在16GHz 的频率点上的输入阻抗为(51.04-j8.8)Ω。

图8 天线输入阻抗特性

由仿真得到微带天线S11 的Smith 阻抗圆图如图9所示。从结果中可以看出，16GHz 时的归一化阻抗为(1.0208-j0.176)Ω，达到了良好的匹配状态。

图9 天线S11 的Smith 阻抗圆

由仿真得到的微带天线在天线中心工作频率16GHz 处的3D 方向图如图10所示，其最大辐射方向为垂直于天线中心方向，最大辐射方向的增益达到了7.6dB。所得到的微带天线在中心工作频率16GHz 处的增益直角坐标和极坐标方向图分别如图11 和图12所示。由仿真结果可得E 面的半功率波瓣宽度为65°，H 面半功率波瓣宽度为91°。

图10 天线的3D 方向图

图11 天线的直角坐标增益方向

图12 天线的极坐标增益方向

一般而言，在平面阵中，阵列的单元数量增加一倍，则阵列天线的增益会随之增加3dB 左右，这也是下文对阵列天线设计时的一个重要参考点。

仿真所得的微带天线在中心工作频率16GHz处的微带贴片天线表面电流分布图如图13所示。

图13 天线辐射贴片表面电流分布图

4 Ku波段平面阵列天线设计与仿真

设计了一款Ku 波段4 元平面结构阵列天线[6-8]，并对所设计的天线进行仿真。技术指标要求如下：

1) 工作频率：16.25GHZ±0.1GHz；

2) 工作频带内 VSWR：小于 2；

3) E、H 面半功率波瓣宽度：大于 20°；

4) 增益：大于 13dB；

5) 极化方式：线极化；

6) 输入阻抗：50 欧姆。

阵列天线的整体设计步骤如下：

选择合适的单元并确定其结构和尺寸→确定单元数目→确定单元间距→确定单元的排布方式→仿真分析。

在首先确定好天线单元的结构和尺寸，以及单元数目和排列方式，并且设计好馈电网络之后，进而要进行系统整合，即将设计好的微带贴片单元和馈电网络组合成微带平面天线阵。

由于受到天线尺寸的限制，在单元间距的选择上，除了考虑通常将单元间距取为0.5λ

仿真创建出的4 元平面阵列天线如图14所示。这是一种并联馈电网络组成的阵列天线，在HFSS15软件中建模并进行了仿真。

图14 4 元平面阵列天线

由仿真得到4 元微带天线的驻波特性曲线如图15所示。天线在中心工作频率16.25GHZ 处，电压驻波比VSWR=1.45，实现了良好的阻抗匹配。由仿真得到4 元微带天线的S11 散射图如图16所示，且微带天线谐振频率在16.25GHz 附近，观察到该频点上的回波损耗值为-14.57dB 左右。

图15 4 元微带天线驻波特性曲线图

图16 4 元微带天线S11 参数图

由仿真得到4 元微带天线的输入阻抗图如图17所示。可知在16.25GHz 的频率点上的输入阻抗为(51.5-j0.2)Ω。

图17 4 元微带天线输入阻抗图

由仿真得到4 元微带天线S11 的Smith 阻抗圆图如图18所示。从结果中可见，16.25GHz 时的归一化阻抗为(1.036-j0.004)Ω，达到了很好的匹配状态。

图18 4 元微带天线S11 的Smith 阻抗圆图

由仿真得到4 元微带天线在中心工作频率16.25GHz 处的3D 方向图如图19所示。可见，其最大辐射方向为垂直于天线中心方向，最大辐射方向的增益达到了13.36dB。

图19 4 元微带天线3D 增益图

由仿真得到4 元微带天线在中心工作频率16.25GHz 处的增益直角坐标和极坐标方向图分别如图20 和图21所示。由仿真结果可得H 面半功率波瓣宽度为20.8°。

图20 4 元微带天线的直角坐标图

图21 4 元微带天线的增益极坐标方向图

5 结束语

利用从整体到局部再到整体的设计思路，进行了矩形贴片微带的设计与仿真，在此基础上完成4元平面结构阵列的设计与仿真。单个微带天线单元的增益约为7.6dB 左右，而该阵列天线工作在16.15GHz 到16.35GHz 频段内，固定波束最大增益约为13.3dB 左右，显然单个微带天线单元不如阵列天线的增益。由于阵列的单元数量增加一倍，阵列天线的增益会增加3dB 左右，所以在设计时可以根据技术指标的要求灵活调整，设计出不同阵列单元的天线阵。