王 輝， 趙海明， 王汝征， 林 莉

（北京華航無(wú)線電測(cè)量研究所，北京100013）

0 引言

在毫米雷達(dá)天線設(shè)計(jì)中，通常采用微帶天線。微帶天線的饋電方式有串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電兩種［1-3］。

微帶天線陣列設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是降低副瓣。選用合適的電流分布，采用不同電流加權(quán)形式，可以壓縮副瓣，滿(mǎn)足性能指標(biāo)。串饋貼片加權(quán)分為貼片加權(quán)和饋線加權(quán)兩種［4］：一種是在天線單元阻抗上進(jìn)行變換；另一種是在傳輸線上進(jìn)行變換。對(duì)于貼片加權(quán)，每個(gè)貼片單獨(dú)設(shè)計(jì)；對(duì)于饋線加權(quán)，每個(gè)貼片相同，但各個(gè)貼片對(duì)應(yīng)的功分器需單獨(dú)設(shè)計(jì)。

本文提出一種串饋微帶陣列天線的設(shè)計(jì)方法。采用貼片加權(quán)方式，給出了天線設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)步驟。據(jù)此，設(shè)計(jì)了“一發(fā)兩收”天線陣，給出了天線仿真和測(cè)試結(jié)果。

1 工作原理

串饋矩形微帶貼片天線可看作一個(gè)場(chǎng)量在橫向沒(méi)有變化的傳輸線諧振器，如圖1所示，其等效的傳輸線模型如圖2所示。l、b分別為微帶貼片長(zhǎng)度與寬度；iYs、Gs、Bs分別為輻射縫導(dǎo)納、電導(dǎo)與電納。場(chǎng)僅沿微帶貼片長(zhǎng)度方向變化，微帶貼片長(zhǎng)度l通常是接近半個(gè)波長(zhǎng)，輻射主要由間距為l的兩個(gè)開(kāi)路端縫隙場(chǎng)產(chǎn)生［1］。

矩形微帶貼片可以等效為兩個(gè)輻射縫，進(jìn)一步可以等效為兩個(gè)并聯(lián)導(dǎo)納。所以如圖3所示的串饋結(jié)構(gòu)，可以等效為多個(gè)并聯(lián)導(dǎo)納，如圖4所示。各導(dǎo)納的電流不同，但電壓都相同。圖3中的λe為介質(zhì)中等效波長(zhǎng)。

顯然，串饋微帶貼片陣的等效電路具有并聯(lián)形式［2-4］，每個(gè)貼片電壓相同，貼片功率與電阻成反比。據(jù)此原理，可以設(shè)計(jì)串饋微帶貼片陣。

為降低天線副瓣，各貼片功率從陣列中心至邊緣呈錐削分布。貼片電阻是從陣列中心至邊緣逐步升高。貼片電阻與貼片長(zhǎng)寬有關(guān)系，貼片越寬，電阻越小。所以，貼片寬度是從陣列中心至邊緣逐步變小。

2 設(shè)計(jì)步驟

串饋微帶陣列天線的設(shè)計(jì)，可分為八個(gè)步驟。

步驟一，根據(jù)設(shè)計(jì)頻率確定印制板厚度d，一般選擇在（0.01～0.03）λ0之間。

步驟二，根據(jù)d、饋線阻抗Z計(jì)算饋線寬度b［5］：

選定主饋線阻抗后，根據(jù)式（1），計(jì)算主饋線寬度。主饋線阻抗一般設(shè)為100Ω左右，寬度一般≥0.2 mm。較細(xì)的線寬受加工精度影響較大，但較粗的線寬饋線占用較多的空間，不方便折彎、布線，所以線寬根據(jù)需要適當(dāng)選擇。

步驟四，計(jì)算等效波長(zhǎng)：

步驟五，計(jì)算每個(gè)單元的激勵(lì)功率。

單元間距初始值設(shè)置為λe。根據(jù)副瓣要求，利用泰勒副瓣加權(quán)公式計(jì)算每個(gè)單元的激勵(lì)功率［6］。設(shè)定第一個(gè)電阻值，根據(jù)功率比分配給每個(gè)貼片電阻值，計(jì)算每個(gè)天線電阻。

步驟六，仿真確定每個(gè)貼片的長(zhǎng)度和寬度。

貼片寬度b和長(zhǎng)度l的初始值計(jì)算式為［5］

根據(jù)電阻值，利用圖5仿真模型，確定每個(gè)貼片的長(zhǎng)度和寬度。其中激勵(lì)端口距離貼片邊緣λe/2。仿真每個(gè)貼片，把輸入阻抗調(diào)節(jié)為設(shè)計(jì)值。具體是利用史密斯圓圖［7］，把仿真阻抗調(diào)到實(shí)阻抗線上，阻抗值為設(shè)計(jì)值。

調(diào)節(jié)貼片寬度、長(zhǎng)度，把實(shí)阻抗值調(diào)節(jié)為設(shè)計(jì)值，把虛阻抗值調(diào)節(jié)為零。貼片阻抗值由陣列中心到邊緣遞增，貼片寬度遞減。

步驟七，用主饋線級(jí)聯(lián)各貼片，并把各貼片調(diào)節(jié)為同相。

如圖6、圖7所示，從末級(jí)貼片到第一個(gè)貼片依次級(jí)聯(lián)：2×1線陣、3×1線陣等，把各貼片相位調(diào)節(jié)為同相。利用仿真軟件的近場(chǎng)功能，計(jì)算貼片中心位置相位。具體方法：在貼片中心正上方劃一條線，計(jì)算近場(chǎng)，得到貼片中心相位。近場(chǎng)線起點(diǎn)、終點(diǎn)都是貼片中心正上方，距離貼片0.05 mm。調(diào)整貼片間距，把相位調(diào)節(jié)成一致。貼片間距的初始值可以設(shè)置為λe，通過(guò)仿真進(jìn)一步確定實(shí)際間距。主饋線與貼片阻抗差別較大，難以調(diào)節(jié)匹配，通過(guò)調(diào)節(jié)三角貼片的長(zhǎng)度和寬度，把主饋線與貼片連接處輸入阻抗調(diào)為實(shí)阻抗。調(diào)為實(shí)阻抗后，如果相位差變化較大，再微調(diào)相位差。如果虛阻抗較大，再微調(diào)三角片長(zhǎng)度、寬度。

步驟八，整陣仿真。

完成線陣設(shè)計(jì)后，用功分饋線級(jí)聯(lián)形成天線陣。陣列內(nèi)部是調(diào)節(jié)為實(shí)阻抗，在陣列出口調(diào)節(jié)匹配。

3 仿真結(jié)果

根據(jù)節(jié)2設(shè)計(jì)步驟，設(shè)計(jì)了一個(gè)K波段矩形微帶串饋線陣，采用泰勒加權(quán)，天線仿真模型如圖8所示。天線包括“一發(fā)兩收”三個(gè)子陣，每個(gè)線陣10個(gè)微帶貼片。SMP在天線背面饋電。收發(fā)天線中間有3列金屬化孔，用于提高天線隔離度，金屬化孔中心間距為λ0/15。發(fā)射天線方位向方向圖按偏轉(zhuǎn)22°設(shè)計(jì)。

天線層關(guān)系示意圖如圖9所示，采用4層印制板結(jié)構(gòu)。板材采用Rogers RO4350B，介電常數(shù)3.66，損耗角正切值0.004，板厚0.254 mm。半固化片為Rogers RO4450F，厚度0.1 mm。

天線駐波、隔離度和方向圖仿真結(jié)果如圖10～13所示。在125 MHz帶寬內(nèi)，駐波不大于1.2，隔離度不小于71 d B，發(fā)射天線增益18.16 dB，接收天線增益12.84 d B。

4 測(cè)試結(jié)果

天線加工實(shí)物如圖14與圖15所示，天線長(zhǎng)88 mm，寬71 mm。SMP連接器通過(guò)錫焊焊接在天線背面覆銅地上。

天線駐波、隔離度測(cè)試結(jié)果如圖16、圖17所示，在125 MHz帶寬內(nèi)，駐波不大于2，隔離度不小于51.5 dB。

天線增益測(cè)試結(jié)果如圖18、圖19所示，發(fā)射天線增益16.66 dB，接收天線增益13.58 dB。根據(jù)實(shí)測(cè)增益，估算天線效率為22%。

5 結(jié)論

本文提出了一種串饋微帶天線設(shè)計(jì)方法，給出了設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)步驟。采用貼片加權(quán)方式，根據(jù)副瓣電平設(shè)計(jì)每個(gè)微帶貼片的阻抗值，再由阻抗值確定貼片尺寸。各個(gè)微帶貼片通過(guò)主饋線級(jí)聯(lián)形成陣列。貼片與饋線之間通過(guò)三角形過(guò)渡調(diào)節(jié)為實(shí)阻抗，在陣列出口調(diào)節(jié)駐波。根據(jù)此設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了“一發(fā)兩收”天線陣，給出了天線仿真和測(cè)試結(jié)果。