【導讀】通信、遙感、雷達等諸多領域得到了廣泛應用。同時研究也發(fā)現(xiàn)由于。通常將若干單個微帶天線單元按照一定規(guī)律排列起來組成。微帶陣列天線，來增強天線的方向性，提高天線的增益。陣列天線的回波損耗要大于單個陣元。

　　

【正文】 射場同相疊加的原理提高天線的方向性和增益系數(shù)。此次設計中，由于只是對陣列天線的性能和參數(shù)進行定性的分析，我們?yōu)榱耸乖O計簡單，設計的是一個 4元均勻直線陣列天線，采用的是陣元同相激勵電流，所以是一個 4元的邊射陣，得到的最大輻射方向也是在垂直天線平面方向。陣元的饋電方式和饋電點的位置跟上一章陣元設計一樣。連接陣元的方式是設計一個并聯(lián)結構的饋電網(wǎng)絡，選用并聯(lián)結構的饋電網(wǎng)絡的理由是并聯(lián)結構可以保證陣元的電流相位一致，且陣元數(shù)較少，容易設計。微帶陣列天 線的設計模型如下圖所示： 圖 41 微帶陣列天線的結構模型 在上章中我們已經(jīng)對陣元的相關尺寸參數(shù)進行計算和確定，在陣列天線設計我們直接使用上章陣元的參數(shù)，因此陣列天線設計時所需要做的相關參數(shù)選取和計算只有陣元間距的確定和饋電網(wǎng)絡的設計。 陣元間距的選取 根據(jù)相關理論研究，選擇合適的陣元間距可以提高天線的增益。陣元間距過小，由于陣元之間的耦合作用會降低天線的效率，從而使得陣列天線的增益效果 21 明顯。因此加大陣元間距有助于提高天線增益， 但是如果陣元間距過大可能會使得陣列天線的副瓣比較大，也會影響天線的效率，其次從天線的集成效果來看，較大的陣元間距會使得陣列天線的長度也會變得很大，當陣元數(shù)目比較多時整個天線系統(tǒng)尺寸也就相當大，應用起來會不方便。一般認為，取陣元間距為 ～，可以一定程度上減小陣元間的耦合作用，而此間距下的陣列天線長度也會比較合理。此次設計選取天線的陣元間距為 倍工作波長： fcd ? （式 ） 計算得陣元間距為 。 并聯(lián)式饋電網(wǎng)絡設計 并聯(lián)式的饋電網(wǎng)絡可以很好地使陣元電流相位一致，達到邊射陣的設計要求。需要說明由于是并聯(lián)結構，所以此饋電網(wǎng)絡只適用于陣元數(shù)為 2 的冪次數(shù)的陣列天線。饋電網(wǎng)絡模型如 所示。 設計饋電網(wǎng)絡主要是考慮天線輸入電阻的阻抗匹配。由于選用的微帶線阻抗為50Ω，與天線的輸入阻抗一般情況下是不匹配的因此我們考慮利用饋電網(wǎng)絡使天線輸入阻抗與微帶線進行良好的匹配，所以連接陣元的饋電網(wǎng)絡就是一個大的四分之一物理波長阻抗轉(zhuǎn)換器。通過前面對阻抗匹配的介紹，我們知道阻抗匹配需滿足的條件是： ZZZ L01 ? 。接下來我們就 需要根據(jù)阻抗匹配條件來確定饋電網(wǎng)絡的尺寸。也就是每一段的長和寬。具體的確定方法為：豎著（除了最下面的一段）的微帶線的長均為四分之一物理波長，也就是 。橫著的微帶線長分別為一倍間距和兩倍間距，即 和 45mm。微帶線的寬的確定方法為：先由阻抗匹配條件公式確定特性阻抗，再借助微帶線計算工具由特性阻抗確定微帶線的寬度。 圖 并聯(lián)式饋電網(wǎng)絡結構模型 22 設計好饋電網(wǎng)絡之后，把陣元設計進去，構建微帶陣列天線模型，用 HFSS進行仿真。 微帶陣列天線的仿真結果及其分析 （ 1） 微帶陣列天線的方向圖 微帶陣列天線的三維立體方向圖如圖 所示。從圖中我們可以看出，所設計的陣列天線的輻射場主要集中在垂直天線平面方向，即圖中所示的 Z 軸方向，與單個陣元的方向圖相比，陣列天線的輻射方向圖更有指向性，場強主要集中在 Z軸方向。這是陣元輻射場在該方向疊加的效果。 圖 微帶陣列天線的三維立體方向圖 23 圖 微帶天線的平面方向圖 圖 的是 為 天線在 XOZ 平面和 YOZ 平面的輻射方向圖，在圖上 可以看出，在 XOY 平面天線沒有明顯的方向性，主瓣寬度比較大，基本無旁瓣；而在 YOZ 平面，天線的方向性明顯，主瓣突出而且比較窄，旁瓣電平多。這是由于陣列天線的排列結構影響的結果。因為陣元排列在 XOY 平面與 Y 軸平行的一條直線上，陣元在 YOZ 平面沿輻射電場同相疊加，由于陣元之間存在波程差，使得陣元在各個方向的疊加效果不一樣，因此產(chǎn)生較多的旁瓣；而在沿 Z 軸方向陣元的最大輻射電場相互疊加，得到陣列天線的最大輻射方向，因此主瓣突出。由于陣元在 XOZ 平面都是等相 位的，因此陣列的輻射方向取決于陣元的輻射方向，陣元的方向性本身就不明顯，因此在陣列天線 XOZ 平面的方向性也不明顯。但是綜合陣列天線的三維立體方向圖我們可以看出，陣列天線的方向性與單個陣元相比還是有很大的提高。 從圖中的標記還可以知道，天線的增益為 ,與單個陣元的 相比，提高了約 。理論研究表明，陣列天線的陣元數(shù)越多，天線的方向性更好，增益系數(shù)也越大，所以陣列天線的性能較單個天線更好。 （ 2） 天線的回波損耗參數(shù) S11 微帶陣列天線的回波損耗分析圖如下圖所示。由圖中可以看出 陣列天線的回波損耗較之前單個陣元的損耗要偏大，這是因為陣列天線中陣元之間存在耦合效應，使得天線的回波損耗比較大。但是在設置的頻率范圍內(nèi)，回波損耗有足夠的衰減，且在實際應用允許的回波損耗范圍內(nèi)，故此陣列天線還是有很好的性能。 24 圖 微帶陣列天線的 S11參數(shù)分析圖 （ 3） 微帶陣列天線的輸入阻抗及阻抗匹配 天線的輸入阻抗分析圖和史密斯圓圖分別如圖 和 所示。 從圖 中可以看出，在中心頻率 10GHz 上陣列天線的輸入阻抗為 ，與微帶線的阻抗 50Ω 非常接近，說明陣列天線與微帶線達到了很好地匹配效果。從 的史密斯圓圖上可以看出在中心頻率 10GHz 上天線的阻抗匹配系數(shù)為。從而也證明了天線與微帶線達成了很好的阻抗匹配效果。說明該設計的微帶陣列天線性能優(yōu)良。 圖 微帶陣列天線的輸入阻抗分析圖 25 圖 史密斯圓圖 微帶陣列天線的總結分析 通過設置合適的陣元間距，通過阻抗匹配的原理及公式計算和 設計符合設計要求的饋電網(wǎng)絡，用饋電網(wǎng)絡將陣元連接起來設計成微帶陣列天線。通過仿真結果可以看出，天線的方向圖明顯，增益高，回波損耗參數(shù)滿足實際工程需求，阻抗匹配效果良好，因此微帶陣列天線總體性能比較好，有很好的理論參考價值。 26 第五章 設計結論和工作總結 在了解微帶天線應用特點的背景下，知道微帶天線有著體積小、重量輕、易于集成和與載體共形等優(yōu)點使得微帶天線在許多領域有著廣泛的應用。同時微帶天線存在增益小、方向圖不明顯等缺陷制約了其理論研究和實際應用。理論研究發(fā)現(xiàn)將若干 微帶天線按照一定規(guī)律排列組成微帶陣列天線可以很好地解決這些問題。于是通過學習和了解天線和陣列天線的相關理論，分別設計出了工作中心頻率在 10GHz 的單個天線和 4 元均勻直線陣列天線，通過 HFSS 仿真軟件對相關參數(shù)進行優(yōu)化改進后分別對陣元天線和陣列天線進行仿真，從仿真結果得到的相關性能參數(shù)和圖示進行對比，驗證微帶陣列天線能提高天線增益和方向性的結論。 針對此次設計目標，我主要做了如下工作： 1. 學習微帶天線的相關理論，了解微帶天線的輻射機理和分析方法，并了解天線的特性參數(shù)。 2. 根據(jù)相關理論和公式，通過分析和計算 得到設計天線所需要的參數(shù)。設計出天線的結構模型。 3. 利用 HFSS 軟件對構建的模型進行仿真并對模型的相關參數(shù)進行優(yōu)化，得到性能更加具有理論分析價值的天線。 4. 對所設計并完成優(yōu)化后的微帶天線單元和由其組成的微帶陣列天線進行仿真，對比仿真結果和相關性能參數(shù)，得出結論。 通過對陣元天線和陣列天線的仿真結果進行分析發(fā)現(xiàn)，所設計的 4元微帶陣列天線增益系數(shù)比單個陣元曾大了 ，同時陣列天線的方向圖比單個陣元的方向圖指向性更好，說明陣列天線的方向性要強于單個天線陣元。于是可以得出結論：將單個微帶天線設計成微帶陣列天線可以 提高增益，增強方向性。驗證了相關理論的正確性。 27 參考文獻 [1]. 惠鵬飛，夏穎，周喜全，淘佰瑞，苗鳳娟；基于 HFSS 的 4 24 微帶陣列天線的設計與研究 [J]；齊齊哈爾大學學報； 2020,26(5). [2]. 汪濤，黃正峰，張鑒，張?zhí)鞎?；微帶陣列天線的設計與 FDTD 分析［ J］；船檢電子工程； 2020 年第 12 期 . [3]. 汪濤，黃正峰；直線陣列天線的設計與性能分析 [J]；信息技術； 2020年第 4期 . [4]. 夏穎，惠鵬飛； L 波段平面微帶陣列天 線的優(yōu)化設計 [J]；高師理科學刊； 2020,28(1). [5] 郝欣欣，段耀鐸，徐海東，張懷武； 64單元Ｘ波段高增益圓極化微帶陣列天線設計 [J]；微波學報； 2020,30(5). [6] 韓國棟，武偉，杜彪；一種寬帶雙極化波導陣列天線的設計 [J]；現(xiàn)代雷達； 2020 年， 35(1). [7] Sharma,P.。Gupta, and gain enhancement in microstrip antenna array for 8GHz frequency applications[J].Engineering and Systems(SCES),2020:1～ 6. [8] Sabban, band microstrip antenna arrays with high efficiency[J].Antennas and Propagation Society International Symposium1,999,4:2740～ 2743. [9] Jagadish,M.。Ramya, and parametric analysis of microstrip antenna array for increased and Signal Processing(ICCSP).2020:622～ 626. [10] 王新穩(wěn)，李延平，李萍；微波技術與天線（第三版） [M]；北京：電子工業(yè)出版社， 2020:182～ 223. [11] 李明洋，劉敏； HFSS 天線設計（第 2版） [M]。北京：電子工業(yè)出版社， 2020:268～ 295. [12] 倪國旗，梁軍，余白平，張濤；一種寬頻段高增益 16單元微帶天線陣設計 [J]；電訊技術； 2020,53(6). 28 [13] 張明民，鄢澤洪；圓極化微帶陣列天線的設計 [J]；電子科技； 2020，23(9).