一種小傾角微帶線陣天線的分析與設計

1、<p>　　一種小傾角微帶線陣天線的分析與設計</p><p>　　[摘 要]本文介紹了一種小傾角微帶線陣天線的設計方法，并運用基于通用三維算法、有限積分法、有限元法和采用Method on DemandTM技術的微波仿真軟件CST對天線進行仿真和優(yōu)化。經(jīng)過實物天線測試，其各項參數(shù)與仿真結(jié)果基本一致并滿足設計需求。 </p><p>　　[關鍵詞]微帶線陣 泰勒線源 有限積分技術

2、（FIT） CST 仿真優(yōu)化 </p><p>　　中圖分類號：TN822 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）15-0132-02 </p><p><b>　　1 引言 </b></p><p>　　在現(xiàn)代通訊系統(tǒng)中天線是信號發(fā)射和接收的關鍵設備，某些定向傳輸要求下往往需要天線具有各種傾角的輻射波束，其中就含小傾角的輻射

3、波束。雖然具有輻射波束可調(diào)性能的天線在理論中的種類是頗多的，但工程應用中能有與被安裝體共形且較小體積和較小傾角輻射波束的天線卻很難實現(xiàn)。 </p><p>　　本文介紹了一種具有較小傾角輻射波束的微帶線陣天線的基本設計方法，并運用CST電磁仿真軟件對該天線進行仿真和優(yōu)化，最后給出了實物天線的驗證結(jié)果。 </p><p><b>　　2 設計需求 </b></p&

4、gt;<p>　　某產(chǎn)品需要有較小的輻射傾角，定向地將微波信號向空間輻射出去并接收從目標反射回來的信號。與該天線有關的指標主要有： </p><p>　　a） 工作頻段：； </p><p>　　b） 帶寬：±100MHz； </p><p>　　c） 增益：主瓣不小于6dB； </p><p>　　d） H面主波瓣寬

5、度：小于40°； </p><p>　　e） E面主波瓣寬度：大于120°； </p><p>　　f） 主瓣與軸向夾角：41°±3°； </p><p>　　g） 駐波比：VSWR≤2； </p><p>　　h） 輸入端口特性阻抗：50Ω； </p><p>　　i

6、） 外形尺寸：243mm×93mm； </p><p>　　j） 天線與被安裝體共形。 </p><p><b>　　3 微帶線陣天線 </b></p><p>　　3.1 獨立的微帶貼片天線 </p><p>　　獨立的微帶貼片天線通常由一矩形或方形的金屬貼片置于接地平面上一片薄層電介質(zhì)（稱為基片）表面所組成

7、。其貼片可采用光刻工藝制造，使之成本較低，并且基片具有一定彎曲性能，易實現(xiàn)共形。 </p><p>　　圖1中顯示了典型的貼片尺寸：長度L、寬度W和基片的厚度t，由同軸線在貼片左邊緣的中點饋電。其左、右邊緣上的場是由鑲邊效應產(chǎn)生的邊緣場。 </p><p>　　微帶貼片天線在激勵主模情況下，輻射基本上可認為是由輻射單元開路邊的邊緣場引起的。顯然，在兩開路端電場可以分解為相對于接地板的垂直分

8、量和水平分量。由于輻射貼片元長約為半個波長，故兩垂直分量電場方向相反，水平分量電場方向相同。因此，兩開路端的水平分量電場可以等效為無限大平面上相同激勵的兩個槽，槽的寬度Δι（近似等于基片厚度H），長度為W，兩槽相距為半波長，槽的電場沿W均勻分布，電場方向垂直于W。 </p><p>　　微帶貼片天線可視為一段長L為λ/2的低阻抗微帶傳輸線，輻射場被認為是傳輸線兩端開路處的縫隙所形成的，因此它的方向性函數(shù)可由下列式

9、子表示： </p><p>　　獨立的典型微帶貼片天線的最大輻射方向一般都垂直于基片。如果要得到在給定頻帶范圍內(nèi)的天線方向圖能實現(xiàn)從垂直基片方向到平行基片方向之間的任意傾角，這就需要微帶貼片天線組成陣列，終端接上匹配負載形成微帶行波天線。而要在低波段實現(xiàn)低傾角方向圖，則微帶貼片天線所組成陣列的體積要求相對較大，因此采取特殊形狀的微帶貼片陣天線來實現(xiàn)。特殊形狀的微帶貼片天線的輻射機理和基本的微帶貼片天線輻射機理相同

10、，只是特殊形狀的微帶貼片陣天線可以近似的看作若干獨立的、輻射能力不一的獨立微帶貼片天線輻射能量在遠場的疊加[1]。 </p><p>　　3.2 微帶線陣天線的設計 </p><p>　　3.2.1 主波束指向θ角和陣元間距的確定 </p><p>　　根據(jù)微帶天線輻射傾角計算公式進行理論推導。 </p><p>　　當介質(zhì)基片和確定后，根據(jù)

11、設計的微帶傳輸線的阻抗，查表可得w/h≈1.4（w為微帶線寬度，h為介質(zhì)基片厚度），。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)一般取1.06。 </p><p>　　3.2.2 泰勒線源近似 </p><p>　　因主要決定著振幅分布特性，故振幅分布函數(shù)的選擇決定著主、副瓣電平比。在天線的設計中，切比雪夫分布有最佳的主瓣寬度和主、副瓣比值，但要實現(xiàn)切比雪夫分布困難比較大。本天線的振幅分布特性采用的是泰勒分布函數(shù)，該分

12、布是能夠在工程上實現(xiàn)的任意地接近切比雪夫分布的最佳分布。 </p><p>　　泰勒陣列各單元的激勵幅度為： </p><p>　　最后對激勵幅度進行歸一化。 </p><p>　　3.2.3 陣元的電導值的確定 </p><p>　　略去微帶線的傳輸衰減，而且微帶線整個長度上是匹配的。在這種條件下，可由下列關系式求得電導：，式中P（p）為陣

13、元單位長度所輻射的功率，它與該處的場分布幅度平方成正比，P0（p）為微帶線內(nèi)的輸入功率， p為陣元輻射中點的坐標。 </p><p>　　假設天線輸入功率為1，損失的未輻射出去的功率為r，則根據(jù)關系式 </p><p>　　可得到每個輻射陣元的電導值。 </p><p>　　3.2.4 陣元峰值偏移量的確定 </p><p>　　當各個輻射陣

14、元的電導值確定，那么根據(jù)反射腔體的尺寸，諧振輻射單元的歸一化等效電導的表達式，帶入下面的公式即可求出各個陣元峰值偏移反射腔體寬邊中心線距離x： </p><p>　　4 基于CST的仿真優(yōu)化 </p><p>　　4.1 微帶線陣天線基本數(shù)據(jù)計算結(jié)果 </p><p>　　利用MATLAB軟件計算得到天線的基本數(shù)據(jù)：反射腔體寬a=20mm，波導高h=19mm，波導長

15、約為L=150mm，微帶寬w=2.4mm，各輻射單元的峰值偏移量見表1。 </p><p>　　4.2 CST仿真中的天線物理模型 </p><p>　　我們要建立的天線模型，腔體由1mm厚的金屬包裹，并在腔體寬邊上方覆蓋含有輻射線陣的介電常數(shù)為2.55的聚四氟乙烯印制板，通過建立天線的輻射曲線解析式構建CST物理模型，如圖2所示。 </p><p><b&g

16、t;　　4.3 優(yōu)化天線 </b></p><p>　　設定天線的頻率范圍，邊界條件，監(jiān)視器、探針、激勵端口和吸收端口，啟動時域求解器或頻域求解器對建立的物理模型進行計算，并主要優(yōu)化主瓣方向、增益、H面方向圖、E面方向圖。優(yōu)化結(jié)果如圖3，圖4所示。 </p><p>　　從圖4可以得出經(jīng)過CST仿真軟件優(yōu)化后的仿真天線主瓣方向為400，增益為8.5dB，H面主波瓣寬度為33.4

17、0，E面主波瓣寬度為155.50，結(jié)果都滿足設計需求。 </p><p><b>　　5 實物天線測試 </b></p><p>　　根據(jù)CST仿真結(jié)果進行了實物天線的設計工作，并對該天線進行了實物測試，其結(jié)果見表2。 </p><p>　　從試驗結(jié)果來看，本次試驗所涉及的天線，駐波比、增益以及方向圖都是滿足設計要求的，并且實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)十

18、分接近，而E面主波瓣寬度實測與仿真差距較大是由于實測時使用了金屬安裝體使天線外表面延展所造成的。 </p><p><b>　　6 結(jié)束語 </b></p><p>　　本文應用CST微波仿真軟件對設計出的微帶線陣天線進行仿真和優(yōu)化，因為計算和仿真時所有材料、邊界等定義為理想狀態(tài)，所以在進行初始計算和仿真時就應該留出足夠的設計余量，這樣才能滿足工程化的要求。 <