一種易副瓣易集成的微帶天線的設(shè)計(jì)與制作

一種易副瓣易集成的微帶天線的設(shè)計(jì)與制作

0天線方案設(shè)計(jì)微帶天線具有重量輕、體積小、剖面低、易加工、易于組裝等優(yōu)點(diǎn)，在衛(wèi)星通信、雷達(dá)、軍事測(cè)量等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前,K波段微帶陣列天線已被廣泛應(yīng)用在各種雷達(dá)系統(tǒng)中,但其在民用系統(tǒng)中的應(yīng)用還稍有局限。汽車(chē)防撞雷達(dá)是目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)非常熱門(mén)的研究方向,根據(jù)我國(guó)工信部發(fā)布的24GHz頻段短距離車(chē)載雷達(dá)設(shè)備使用頻率規(guī)劃,規(guī)定24GHz短距離車(chē)載雷達(dá)設(shè)備使用頻率為24.25~26.65GHz,發(fā)射信號(hào)帶寬(-10dB帶寬)至少500MHz。而天線的工作頻帶和輻射性能對(duì)車(chē)載雷達(dá)的好壞至關(guān)重要,一款高增益、低副瓣、窄波束、體積小的天線不僅可以增加雷達(dá)作用距離,提高收發(fā)前端信噪比,而且小型化結(jié)構(gòu)也有利于前端電路集成。本文設(shè)計(jì)并制作的這款K波段諧振式微帶天線陣,采用串并結(jié)合饋電方式,相比同類(lèi)天線而言,饋電網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單緊湊,可有效減少饋線損耗與雜散輻射,降低陣元間的互耦,并縮小天線體積。最終實(shí)測(cè)天線,帶寬大于500MHz,增益大于20dB,副瓣為-20dB,E面、H面半功率波瓣寬度分別為16.7°和11.8°,波束寬度較窄,方向性較好。該款天線性能符合車(chē)載防撞雷達(dá)對(duì)天線的要求,具有廣闊的市場(chǎng)前景。1天線設(shè)計(jì)1.1微帶天線抗振仿真為了實(shí)現(xiàn)微帶天線陣列的小型化,提高輻射效率,貼片單元的形式選取了諧振式的微帶矩形貼片單元。采用貼片輻射邊微帶插入式饋電方法,通過(guò)在饋線與貼片接觸處開(kāi)槽來(lái)調(diào)節(jié)阻抗匹配,這種饋電方式不僅使阻抗匹配靈活易行,而且還有利于節(jié)省空間、減小體積,更適合天線組陣。從經(jīng)濟(jì)節(jié)約和便于安裝的角度考慮,本設(shè)計(jì)選用的基板為Rogers4350B,該基板的介電常數(shù)為3.48,tanδ為0.0037,厚度為0.508mm。介質(zhì)基片選定以后,就可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定單元尺寸。貼片寬度W的尺寸影響著微帶天線的方向性函數(shù)、輻射電阻及輸入阻抗,從而影響著頻帶寬度和輻射效率。根據(jù)文獻(xiàn),可知,W的計(jì)算公式如式(1)所示:若W尺寸大于上式給出的值時(shí),將產(chǎn)生高次模,從而引起場(chǎng)的畸變。矩形微帶天線的長(zhǎng)度L在理論上取λg/2,但實(shí)際上由于邊緣場(chǎng)的影響,在設(shè)計(jì)L的尺寸時(shí)應(yīng)從λg/2中減去2ΔL。L及ΔL的值由式(2)、(3)給出:其中,c為光速,fr為諧振頻率,εr為基板的介電常數(shù),εe為有效介電常數(shù)。εe可表示為:通過(guò)計(jì)算,可得到微帶貼片單元尺寸:W=4.09mm,L=3.01mm。工程上,饋線深入量I≈L/3,饋線深入處開(kāi)槽寬度t根據(jù)仿真確定。根據(jù)以上得到貼片單元的初始尺寸后,在AnsoftHFSS仿真軟件中建立仿真模型如圖1所示。在理論數(shù)值的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)對(duì)初始模型的仿真與優(yōu)化,得到基本滿(mǎn)足要求的貼片尺寸為:W=3.34mm,L=3.09mm,I=1mm,t=0.45mm,s=0.29mm,仿真結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,單元天線能很好地諧振在工作頻帶內(nèi),單元的最大輻射方向?yàn)閦軸正方向,仿真得到的最大輻射方向的增益約為7.46dB。下面則通過(guò)單元組陣的方式來(lái)提高天線的增益和減小波瓣寬度。1.2有限元仿真分析在將天線單元進(jìn)行擴(kuò)展組陣時(shí),要依據(jù)所需求的方向圖或者天線的其它指標(biāo)來(lái)確定天線排布、陣元數(shù)目,合理控制各陣元的幅度、相位和間距。本設(shè)計(jì)用于24.5G車(chē)載防撞雷達(dá)的收發(fā)前端模塊,要求微帶天線陣列具有較高的增益以及盡量小的尺寸,便于集成化。由增益要求和收發(fā)前端對(duì)體積的限制,本文采用了均勻分布的8×6元陣列進(jìn)行設(shè)計(jì)。串并聯(lián)結(jié)合的饋電方式不僅使匹配簡(jiǎn)單易行,更重要的是減小了饋電網(wǎng)絡(luò)的損耗,大大節(jié)省了空間,為天線的小型化奠定了基礎(chǔ)。確定了微帶平面陣列的形式和單元數(shù)目之后,為設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便,我們選擇常見(jiàn)的邊射陣來(lái)設(shè)計(jì),即需要各單元同相饋電,同時(shí),為減弱單元間的互耦效應(yīng)、避免柵瓣出現(xiàn),E面和H面間距均取一個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)λg。為盡可能地降低副瓣電平,我們選擇泰勒綜合法來(lái)實(shí)現(xiàn)非等幅饋電,并在天線陣的單元之間,加入四分之一波長(zhǎng)阻抗變換段,通過(guò)調(diào)整各變化段特性導(dǎo)納與傳輸線特性導(dǎo)納之比來(lái)控制電流錐削分布,降低副瓣電平,保證端口阻抗匹配。整條線陣采用中心饋電,其示意圖如圖3所示。阻抗變換段形成1:ni變壓器,假設(shè)第一輻射元上輸入電流幅度為1,那么得到I0=1;I1=n1;I2=n2n1;Ii=n1n2…ni-1ni。根據(jù)泰勒綜合法,8元線陣按副瓣-30dB的指標(biāo)設(shè)計(jì),求得一側(cè)的電流分布為I1:I2:I3:I4=1:0.8187:0.5287:0.2906。同理,也可求得縱向并饋線的電流分布。通過(guò)電流分布,可計(jì)算出相應(yīng)的四分之一波長(zhǎng)段阻抗變換器的線寬。至此,饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)已完成,該串并饋結(jié)合饋電網(wǎng)絡(luò)在保證為各陣元提供所要求的激勵(lì)幅度和相位的前提下,還兼具了并聯(lián)饋電和串聯(lián)饋電的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)將貼片單元和饋線組合起來(lái),在原來(lái)的理論設(shè)計(jì)值上,對(duì)陣列進(jìn)行仿真優(yōu)化。由于陣列單元較多,仿真時(shí)需要的計(jì)算資源比較大,所以選用基于有限元積分算法的電磁仿真軟件CST對(duì)陣列天線進(jìn)行仿真,采用同軸線底部饋電,仿真模型如圖4所示,經(jīng)過(guò)優(yōu)化后,該天線仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。仿真結(jié)果顯示,所設(shè)計(jì)的微帶陣列天線駐波特性良好,帶寬大于500MHz,增益達(dá)到21.9dB;且通過(guò)優(yōu)化饋線和阻抗變換段的寬度,較大幅度地降低了天線副瓣電平,E面、H面第一副瓣電平均小于-24.5dB,波瓣寬度分別為17.4°和12.1°,實(shí)現(xiàn)了高增益、低副瓣、窄波束的效果。2天線參數(shù)測(cè)試根據(jù)上述仿真模型所制作的天線實(shí)物見(jiàn)圖7,天線的外形大小為60mm×45mm×0.5mm,利用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5222A-200測(cè)得其駐波特性見(jiàn)圖8。在電子科技大學(xué)微波暗室中測(cè)得陣列天線的方向圖如圖9。由圖可見(jiàn),實(shí)測(cè)陣列天線的反射系數(shù)約-30dB,駐波良好,帶寬大于500MHz,天線陣列最大增益可達(dá)20.2dB,E面第一副瓣電平為-20dB,半功率波束寬度為16.7°;H面第一副瓣電平為-19dB,半功率波束寬度為11.8°。實(shí)測(cè)與仿真相比,駐波良好;最大增益略有下降,副瓣電平有所上升,但波束寬度變窄。原因可能是在較高的波段,實(shí)際的加工精度達(dá)不到,測(cè)試中引入的誤差以及各種損耗等等,都會(huì)對(duì)天線效果產(chǎn)生影響。在天線陣的設(shè)計(jì)中,極窄的主瓣寬度和較低的副瓣電平是難點(diǎn)所在,從實(shí)測(cè)結(jié)果可知,該款天線在主瓣寬度和副瓣電平之間,取得了較好的平衡,副瓣電平較低,主瓣寬度也窄。且實(shí)測(cè)增益比理論計(jì)算增益只小了3dB,說(shuō)明該天線輻射效率高,損耗小。目前,該款天線已經(jīng)應(yīng)用于車(chē)載防撞雷達(dá)收發(fā)前端進(jìn)行測(cè)試,效果良好,性能穩(wěn)定。3天線性能測(cè)試本文設(shè)計(jì)了一款諧振于24.5GHz,帶寬為24.25~24.85GHz的微帶貼片陣列天線,在對(duì)其進(jìn)行仿真優(yōu)化的基礎(chǔ)上,制作并測(cè)試了實(shí)體天線。各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好,電性能和輻射性能良好。實(shí)測(cè)結(jié)果證明串并聯(lián)