一种小倾角微带线阵天线的分析与设计

[摘 要]本文介绍了一种小倾角微带线阵天线的设计方法，并运用基于通用三维算法、有限积分法、有限元法和采用Method on DemandTM技术的微波仿真软件CST对天线进行仿真和优化。经过实物天线测试，其各项参数与仿真结果基本一致并满足设计需求。

[关键词]微带线阵 泰勒线源 有限积分技术（FIT） CST 仿真优化

中图分类号：TN822 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0132-02

1 引言

在现代通讯系统中天线是信号发射和接收的关键设备，某些定向传输要求下往往需要天线具有各种倾角的辐射波束，其中就含小倾角的辐射波束。虽然具有辐射波束可调性能的天线在理论中的种类是颇多的，但工程应用中能有与被安装体共形且较小体积和较小倾角辐射波束的天线却很难实现。

本文介绍了一种具有较小倾角辐射波束的微带线阵天线的基本设计方法，并运用CST电磁仿真软件对该天线进行仿真和优化，最后给出了实物天线的验证结果。

2 设计需求

某产品需要有较小的辐射倾角，定向地将微波信号向空间辐射出去并接收从目标反射回来的信号。与该天线有关的指标主要有：

a） 工作频段：；

b） 带宽：±100MHz；

c） 增益：主瓣不小于6dB；

d） H面主波瓣宽度：小于40°；

e） E面主波瓣宽度：大于120°；

f） 主瓣与轴向夹角：41°±3°；

g） 驻波比：VSWR≤2；

h） 输入端口特性阻抗：50Ω；

i） 外形尺寸：243mm×93mm；

j） 天线与被安装体共形。

3 微带线阵天线

3.1 独立的微带贴片天线

独立的微带贴片天线通常由一矩形或方形的金属贴片置于接地平面上一片薄层电介质（称为基片）表面所组成。其贴片可采用光刻工艺制造，使之成本较低，并且基片具有一定弯曲性能，易实现共形。

图1中显示了典型的贴片尺寸：长度L、宽度W和基片的厚度t，由同轴线在贴片左边缘的中点馈电。其左、右边缘上的场是由镶边效应产生的边缘场。

微带贴片天线在激励主模情况下，辐射基本上可认为是由辐射单元开路边的边缘场引起的。显然，在两开路端电场可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量。由于辐射贴片元长约为半个波长，故两垂直分量电场方向相反，水平分量电场方向相同。因此，两开路端的水平分量电场可以等效为无限大平面上相同激励的两个槽，槽的宽度Δι（近似等于基片厚度H），长度为W，两槽相距为半波长，槽的电场沿W均匀分布，电场方向垂直于W。

微带贴片天线可视为一段长L为λ/2的低阻抗微带传输线，辐射场被认为是传输线两端开路处的缝隙所形成的，因此它的方向性函数可由下列式子表示：

独立的典型微带贴片天线的最大辐射方向一般都垂直于基片。如果要得到在给定频带范围内的天线方向图能实现从垂直基片方向到平行基片方向之间的任意倾角，这就需要微带贴片天线组成阵列，终端接上匹配负载形成微带行波天线。而要在低波段实现低倾角方向图，则微带贴片天线所组成阵列的体积要求相对较大，因此采取特殊形状的微带贴片阵天线来实现。特殊形状的微带贴片天线的辐射机理和基本的微带贴片天线辐射机理相同，只是特殊形状的微带贴片阵天线可以近似的看作若干独立的、辐射能力不一的独立微带贴片天线辐射能量在远场的叠加[1]。

3.2 微带线阵天线的设计

3.2.1 主波束指向θ角和阵元间距的确定

根据微带天线辐射倾角计算公式进行理论推导。

当介质基片和确定后，根据设计的微带传输线的阻抗，查表可得w/h≈1.4（w为微带线宽度，h为介质基片厚度），。根据经验数据一般取1.06。

3.2.2 泰勒线源近似

因主要决定着振幅分布特性，故振幅分布函数的选择决定着主、副瓣电平比。在天线的设计中，切比雪夫分布有最佳的主瓣宽度和主、副瓣比值，但要实现切比雪夫分布困难比较大。本天线的振幅分布特性采用的是泰勒分布函数，该分布是能够在工程上实现的任意地接近切比雪夫分布的最佳分布。

泰勒阵列各单元的激励幅度为：

最后对激励幅度进行归一化。

3.2.3 阵元的电导值的确定

略去微带线的传输衰减，而且微带线整个长度上是匹配的。在这种条件下，可由下列关系式求得电导：，式中P（p）为阵元单位长度所辐射的功率，它与该处的场分布幅度平方成正比，P0（p）为微带线内的输入功率， p为阵元辐射中点的坐标。

假设天线输入功率为1，损失的未辐射出去的功率为r，则根据关系式

可得到每个辐射阵元的电导值。

3.2.4 阵元峰值偏移量的确定

当各个辐射阵元的电导值确定，那么根据反射腔体的尺寸，谐振辐射单元的归一化等效电导的表达式，带入下面的公式即可求出各个阵元峰值偏移反射腔体宽边中心线距离x：

4 基于CST的仿真优化

4.1 微带线阵天线基本数据计算结果

利用MATLAB软件计算得到天线的基本数据：反射腔体宽a=20mm，波导高h=19mm，波导长约为L=150mm，微带宽w=2.4mm，各辐射单元的峰值偏移量见表1。

4.2 CST仿真中的天线物理模型

我们要建立的天线模型，腔体由1mm厚的金属包裹，并在腔体宽边上方覆盖含有辐射线阵的介电常数为2.55的聚四氟乙烯印制板，通过建立天线的辐射曲线解析式构建CST物理模型，如图2所示。

4.3 优化天线

设定天线的频率范围，边界条件，监视器、探针、激励端口和吸收端口，启动时域求解器或频域求解器对建立的物理模型进行计算，并主要优化主瓣方向、增益、H面方向图、E面方向图。优化结果如图3，图4所示。

从图4可以得出经过CST仿真软件优化后的仿真天线主瓣方向为400，增益为8.5dB，H面主波瓣宽度为33.40，E面主波瓣宽度为155.50，结果都满足设计需求。

5 实物天线测试

根据CST仿真结果进行了实物天线的设计工作，并对该天线进行了实物测试，其结果见表2。

从试验结果来看，本次试验所涉及的天线，驻波比、增益以及方向图都是满足设计要求的，并且实测数据与仿真数据十分接近，而E面主波瓣宽度实测与仿真差距较大是由于实测时使用了金属安装体使天线外表面延展所造成的。

6 结束语

本文应用CST微波仿真软件对设计出的微带线阵天线进行仿真和优化，因为计算和仿真时所有材料、边界等定义为理想状态，所以在进行初始计算和仿真时就应该留出足够的设计余量，这样才能满足工程化的要求。

参考文献

[1] 何振勇.7.5公分介质加载波导非谐振裂缝阵天线.内部资料，1982