（通信与信息系统专业论文）ku波段微带阵列天线的设计与阵列天线的综合研究.pdf

硕士论文k u 波段微带阵列天线的设计与阵列天线的综合研究 a b s t r a c t a tf i r s t ，t h i sp spe rr e s e arc h e so nt h ed e s i g no f， i d e b andd u a l 一 p o l ari z e d m i c r o s t r i parr 8y ant e n n af o rku b a n ds a t e 1 1 i t ec o m 翻 u n i c a t i o n ，i n c l u d i n gt h e d e s i g n o f m i c r o s t r i p ant e n nae l 胭e n t and fee d n e t 肋r k o f t h e arr a y . the ant e n n a e l e m e n ti sf e dw i t ht 贾 ov e r t i c a lh-s h a p e dc o u p l i n gs l o t s ，w h i c hc an r a d i a t e d u a l l i n e ar p o l ari z e d b e e 口 . t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o ，t h a t a n t e n n a w i t h t h i s s t r u c t u r eh a sag o o dp e r f o r . a n c eo fb andi d t ha n di s o 1 a t i o n ，a sw e l la st h e c r o s s 一 pol ari z a t i o . t h e n 贾 er e s p e c t i v e l y des i 助e d t h ep ara l l e l 一 f e dands e r i e s 一 f e de i g h te l 胭e n t ss y 画e t r i c a ll i n e ar arr a y， i t ht h ee l e 口 e n ta b o v e .i n a d d i t i o n ，份 er e s e a r c h e dd e s i g no fl 叫一 s i d e l o b el i n e 盯 arr a y ，i n t r o d u c e dt h e p r i n c i p l e o f u n e q u a l f e e dn e t ，or ki nd e t a i l . r e s u l t s s h o wt h a t t h e array s h a v e ach i e v e d e x p e c t e d g o a l . a f t e r t h a t ， e a n a l y s e d t h e p l a n ararr a y . i t h t h e o n e - d i 口 e n s i o ns u b arr 盯sb a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo farr a ya n t e n n a . 如o t h e ri 呻ort a n t份 orko ft h i sp a p e 全i s a r r a yant e n n as y n t h e s i sbas e do n g e n e t i ca l g o r i t hm.gen e t i ca l g o r i t 恤 i sq u i t es u i t abl ef o rc o mpl i c a t e dn o n 一 1 i n e ar o p t i m i z a t i o np r o b 1 e m s s u c ha s ant e n n ap a t t e r ns y n t h e s i s ，b e c ans e o f i t ， su n 主 q u ea d v a n t a g e s .t h ep a p e r盼i n l yr e s e a r c h e st h ea p p l i c a t i o no fr e a l g e n e t i ca l g o r i t hm i nl 叫 s i d e 一 l o b ep a t t e r ns y n t h e s i s 、arr a yant e n n ab e 恤 s h a p i n gs y n t h e s i sa n d p a t t e r ns y n t h e s i so farr a yant e n n a份 i t hp r e s c r i b e d n u l l s ，a n dg i v e st h es i mul a t i o nc a s e so nd i f f e r e n tc o n d i t i o n a ，t h er e s u l t s i n d i c a t et hat arr a ys y n t h e s i sb a s e d o ng e n e t 主 ca l g o r i t 枷 i s q u 主 t ee f fec t i v e . k e y ， o r d : k ub a n d ，. i c r o s t r i pant e n n a ，d u a l 一 p o l ari z e ， . arr a ya n t e n n a ，f e e d n e t ， o r k ，g e n e t i ca l g o r i t lun，p a t t e r ns y n t h e s i s 一n . 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名:年 月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内 容， 可以向 有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅 或上网公布本学 位论文的 部分或全部内 容. 对 于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:年月日 硕士论文 k u 波段微带阵列天线的设计与阵列夭线的综合研究 1 绪论 1 ， 1 研究背景 目 前在ku波段卫星通信及散射通信系统中， 微带天线得到了 广泛的应用和研究， 原因主要有两个， 一是微带天线具有体积小、 低剖面、 便于和有源器件及电路集成等 优点， 可以减小天线在系统中的空间占有体积， 实现天线的小型化， 二是利用微带天 线容易实现双频、双极化的特性，提升系统的性能。 国内外己有不少用于卫星通信的微带天线阵的研究， 文献 61设计了一种用于ku 波段卫星广播服务的新型有源相控阵天线， 该天线的主要思想是使用一种高增益的一 维子阵构成的有源相控阵天线的单元， 并采用机械和电子扫描的相结合的波束控制方 法， 实测结果显示， 天线能达到很好的 性能， 其成本较低， 但设计比 较复杂。 文献【 15 给出了出一种用于星载合成孔径雷达( s a r)的三层的混合馈电的双极化微带天线阵的 设计，其垂直极化采用共面的微带线馈电，而水平极化则采用口径祸合的馈电形式， 这样有利于馈电网络的放置和提高隔离度， 但这种多层的口 径祸合馈电的微带天线结 构较复杂，难于设计及加工装配。文献仁 1 6 给出了一种单层高隔离度双极化天线阵， 但当阵元数目 较大时，馈电网络难以实现. 本文给出了一种可用于ku波段车载卫星通信的宽频带高隔离度双极化微带天线 单元及阵列的设计。双极化微带单元采用接地板上的 ，h”形口 径进行祸合馈电的双 层结构， 该单元性能良 好，结构简单，易于加工阴。 在设计天线阵列时本文采用的 方法是先设计一个以 双极化微带单元为阵元的串 馈八元一维阵列， 然后以一维阵作为 子阵设计大型的平面阵天线， 这可以 为 将来开发实际 用于ku波段车载卫星通信的 大 型阵列天线提供一种依据和参考。 在一些特殊的应用中， 对天线波束方向图有特殊要求， 在给定天线排列方式与阵 元个数的前提下， 如何通过恰当地选择各阵元的间距、 馈电电流幅值及相位来获得指 定的天线方向图是阵列天线优化中的一类重要课题， 近几十年来， 越来越多的科研工 作者对阵列天线方向图综合方法进行了 广泛研究、发展和应用侧。 经典的切比 雪夫 综合法、 泰勒综合法等解析优化方法的适用范围非常有限。 此外， 天线综合问 题中的 目 标函 数或约束条件大多呈多参数、 非线性、 不可微甚至不连续等特点， 因此基于梯 度寻优技术的传统数值优化方法通常也无法有效地求得满意解。 而遗传算法以其独特 的 优点， 很适合解决传统优化方法解决不了 的复杂和非线性问 题1 均。 近几年来， 遗 传算法在天线设计领域， 特别是方向图综合领域获得了广泛的应用发展。 本文成功将 实数遗传算法应用于低副瓣阵列综合、 波束赋形综合和方向图置零等问题中， 给出了 硕士论文 ku 波段微带阵列天线的设计与阵列天线的综合研究 针对不同方向图优化目标的数值算例及其分析. 1 . 2 宽带双极化微带天线 微带天线的概念早在1 9 5 3 年就由d .a .d escha 功 p s 教授提出。由于具有体积小、 低剖面、 重量轻、 便于和有源器件及电 路集成、 容易实现双频和双极化等优点， 微带 天线在卫星通信、 移动通信、 电子对抗和雷达目 标识别等众多民用和军用领域都得到 广泛的应用. 但微带贴片天线具有频带窄的缺点， 这极大制约了其应用， 随着卫星通 信、 毫米波雷达以及移动通信的蓬勃发展， 宽频带微带天线技术的研究将成为今后天 线研究中的热点之一。 近年来， 人们在展宽微带天线频带方面做了大量的研究。 采用口 径祸合的馈电方 式是展宽微带天线阻抗带宽较为有效的一种方法。 微带贴片天线的口径祸合馈电方式 是poz ar于1 9 8 5 年提出的，由 于它能很好地克服微带天线传统馈电 方式的许多缺点， 如利用同轴线馈电会引入较大的电感、 馈电网络的寄生辐射等， 且具有一些独特的优 点， 如避免了 在基片上打孔， 便于制作， 辐射单元和馈电网 络可分别采用低介电 常数 的厚基片和高介电常数的薄基片以实现各自 性能的优化，易实现阻抗匹配等。 v i v c k 用实验研究了 几种不同形状的祸合槽对藕合量的影响，得出“ h ”形状的祸合槽可以 得到较大的祸合量， “ h ”形槽祸合馈电的天线容易实现宽频带谐振，并且具有良 好 的交叉极化性能1191。“ h ”形槽祸合的微带天线一般可以获得1 沸以上的阻抗带宽， 并且这种结构把辐射贴片和馈电网络隔离开来，可大大减小由 馈电带来的寄生辐射。 基于此本文采用了“ h ”形槽藕合馈电的结构。 双极化天线是当前通信领域受到关注的一种新型天线， 在1996年的i e ee天线和传 播年会上双极化微带天线首次被专门列为一类研讨课题. 它在合成孔径雷达中更是早 就获得广泛应用。 双极化天线能发射或接收两个正交极化的电磁波， 因此在同一频带 宽度内， 天线可以发射两种信号， 这有利于频率复用或者收发同时工作， 可使通信的 容量增加一倍. 因 此， 近年来双极化天线一直得到了广泛的 研究和应用， 频谱资源日 益紧张的现代卫星通信领域迫切需要天线具有双极化功能。 利用微带天线实现双极化阵列天线一直是人们非常关心的课题。 通常用微带馈线 直接给方形贴片馈电的 双极化单元， 能够获得的隔离度很低， 一般只有一 20一 一s db 左右， 而且带宽也较窄。 而利用不同两层的天线阵分别实现不同的 极化， 这种天线阵 的结 构复杂， 制作比 较困难， 造价也高110. 利用口 径祸合馈电实现双极化优于其他 的 馈电 方式， 因为这种方式可以 使阵列馈电网 络对天线方向图的影响较少， 且便于形 成大阵，同时又 有足够的隔离 度和带宽” 511151. 利用口 径藕合实现双极化有两种常用的方法， 一是采用两个偏移中心的相互垂直 的祸合槽: 二是在贴片中 心开十字形槽。 第二 种方法需要相对复杂的馈电网 络或者采 . 2. 硕 士 论 文 物 波段微带阵列天线的设计与阵列天线的综合研究 用多层结构以降低两馈线间的祸合。 通常采用的是第一种方法， 本文采用的就是两相 互垂直的 “ h ”形槽祸合的馈电的方式实现双极化，这种结构有利于降低两馈线之间 的祸合，提高隔离度il，j，而且可以得到较低的交叉极化电平. 1 . 3 基于遗传算法的天线阵综合 根据波束形状求解阵列天线激励幅度、 相位的过程称为天线阵 列综合。 阵 列天 线 方向图 综合是一个十分复杂的非线性优化问题。 在阵列 综合理 论中曾涌 现出 许多 经典 方法， 在方向 图综合方面有c h eby shev多项式 法、 t ayl or 综合法、 贾 00山ard 法等。 但 这些方法一般是基于梯度的局部优化搜索技术，多数是针对某一 特殊问 题提出的， 适 用范围比 较小。此外它们基本上都无法回避两 个问 题: 第一，必须选择良好的初始设计以保证优化目标的成功实现; 第二， 在解空间内 对目 标函 数的 连续性、 可 微性有 特殊要求， 比 如要求目 标函数 在 解空间内 处处连续、 可微; 然而， 大线阵 优化问 题中的目 标函 数或约束 条件常会出 现多参数、 非线性、 不可 微、 甚至不连续的特性。 因此基于梯度的优化方法很难有效地求得满意的结果。 而遗 传算法以 其稳健性、随 机性， 很适合于解决此类复杂的非线性优化问 题，而且对搜索 空间也没 有什么特殊要 求。 近年来， 遗传算法在天线设计领域已 经得到广泛的应用. 遗传 算法12， 】 ( g ene t ica l gorit hm) 是模拟达尔文的遗传选择和自 然淘汰的生物进 化过程的 计算模型， 它是由 美国m ic h i g an大学的j .h oll and 教授于1 9 7 5 年首先提 出 的。 遗传 算法是 通过模拟自 然 进化过程搜索问题最优解的 优化方 法、 依据“ 适者生 存” 的自 然 选择规 律， 以 随机产生的 一组解作为初始种群， 然后相继使用遗传算法的 三个经典算子:复制、 交叉、 变异， 来对种群进行更新， 复制选择适应度高的 个体， 而交叉和变异则 产生新的个体。 通过对问题可 行解的 适应度计算， 选择适应度高的 个 体，逐代优化，达到寻求最优解的目的. 国 外在利用 遗传算 法对天线 进行 优化的 研究上起步较早1 341。 1 9 94 年， 美国 加州 大 学的 j . m i c h ael j o h n s o n和 y ahy ar a l l 帕t 一 5 二1 1就提出t 将遗 传算法g a 用于天 线阵 方向 图优化的思想阴 ， 描 述了如 何利用简单遗传算法s ga分别 对一个一维和一个 二 维天线阵的方向图进 行优化。 首先对一维阵( 等伺距、 相同阵元) 分两种情况优化 出 双波束方向 图， 一种是令幅度和相位 均可变， 另一种是只令幅度可变。 然后对二维 阵 采用不同的阵元来优 化， 以 验证遗传算法能 够同时 对不同的 月标函数 进行优化。 同 年， randyl . ha叩t用遗传算法以获取 最低旁瓣电 平为目 标对阵 元数为2 0 0 的 线形 阵 和 平面阵 分别进行了 优化137 ) ， 得到了 低于 加d b 的旁瓣电平， 提供了 用遗传算法进行 阵列综合的一般方法。 此后， 遗传算法被不断地应用到天线综合问 题中。 目 前己 经有很多关于将遗传算 . 3 . 硕士论文 k u 波段微带阵列天线的设计与阵列天线的综合研究 法应用于天线方向图综合的报道139 一 胡。其中有对幅度进行优化的， 有对相位进行优 化的， 还有对幅度和相位同时进行优化的， 有采用二进制编码的， 也有采用实数编码 的。 遗传算法在天线综合中的应用己经涉及到天线综合问题的各个领域， 现己将遗传 算法应用于微带天线小型化、 低副瓣阵列综合、 阵列稀疏、 波束赋形和方向图置零等 问题中。 在应用过程中， 遗传算法自 身也在不断地发展， 国内 外许多学者从编码方法、 遗 传操作算子、 与其他智能方法结合等不同方面对遗传算法进行了改进， 得到了各种新 的遗传算法1 邓 1 ， 如免疫遗传算法( i nunu n e g e n e t i c a l g o r i t 腼) 、 混合遗传算法( h y b r i d g e n e t i ca l g o r i t hm)、 分层遗传算法 ( h i e r a r c h i c a 1 g e n e t i ca l g o r i t hm)、自 适 应遗传算法 ( a d 即t i v eg e n e t i ca l g o r i t hm)、 并行遗传算法 ( p ara l l e lg e n e t i c alg o rit 恤) 等， 这些改进的新遗传算法也被不断引入到天线的优化应用中. 1 . 4 本文研究内容和结构安排 本文主要研究内容为: 双极化天线单元及阵列的设计， 包括宽带双极化微带贴片 天线单元的设计、串联馈电和并联馈电 八元均匀直线阵的设计和低副瓣直线阵的设 计: 阵列天线基本理论， 包括阵列天线的分析和经典天线阵综合方法研究: 最后讨论 了遗传算法及其在阵列天线综合中的应用，全文共分四章，各章节的内容安排如下: 第一章， 绪论部分，主要介绍本文研究工作的相关背景及意义，简要介绍了本 文所做的主要工作和内 容安排。 第二章，介绍了ku波段宽带双极化微带天线单元及阵列的设计， 仿真设计了双 极化微带贴片单元和以 此单元为阵元的串 馈和并 馈均匀八元直线阵。 最后详细介绍了 8 元低副瓣直线阵列的设计，并用全波仿真软件对天线阵 进行了 仿真。 第三章， 研究了阵列天线的基本理论，简单介绍了阵列天线的主要参数，重点 研究了 直线阵列天线和平面阵列天线的辐射特性， 特别是对以八元一维阵为子阵的平 面阵的特性，本章进行了详细的分析，最后介绍了传统天线阵综合方法及其特点。 第四章， 简要介绍了遗传算法的基本概念，重点研究了遗传算法在阵列天线综 合中的应用， 并分别针对低副瓣天线阵列综合、 阵列天线方向图赋形综合以 及阵列天 线方向图置零等问 题给出相应的仿真算例及相关分析。 硕士论文ku 波段微带阵列天线的设计与阵列天线的综合研究 2 宽带双极化微带天线单元及阵列的分析与设计 2 . 1 微带天线基本理论 微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线， 利用微 带线或者同轴线等馈电， 在导体贴片和接地板之间激励起电磁波， 并通过贴片四周与 接地板间的缝隙向外辐射. 与普通微波天线相比， 微带天线剖面薄、 体积小、 重量轻、 易于与载体表面共形和与固体器件集成、 容易实现双频和双极化， 因此在微波通信领 域得到广泛的应用，但微带天线也具有频带窄、功率容量小等缺点。 2 . 1 . 1 微带天线的宽带技术 天线的频带是指其特性参数在规定的容许范围内的频率范围。 对于线极化微带天 线来说， 通常考虑的特性参数是: 方向图、 增益和阻抗。 其中最容易受频率变化影响 的是阻抗， 也就是说， 线极化微带天线频带主要受其阻抗带宽影响。 通常， 单层微带 天线的相对阻抗带宽只有 0 . 7 % 钱，频带窄这一主要缺点制约了微带天线的应用和 发展. 目 前， 已 有多种展宽微带天线的频带的方法， 可使得天线单元的带宽达到13 % ， 1 6 % ， 25 % ， 甚至4 既 ( vswr( 2 )， 微带天线的宽带技术主要有以下几种: 1 .降 低等 效谐振电 路的q 值 微带天线阻抗带宽窄的根本原因在于它是一种谐振式天线， 它的谐振特性相当于 一个高q 并联谐振电路。 因此， 展宽频带的基本途径是降低等效谐振电路的q 值， 可 以 采 取 增 大 基片厚 度h ， 降 低基片 的 介电 常 数5 ， 等方 法实 现。 但基 片 太厚 会引 起表 面 波的 明 显 激 励。 降 低 r 可以 将 带 宽 扩 至卜 2 倍， 同 时 可以 减 小 表 面 波的 影 响， 但 要 求 馈线宽 ， 使辐射损耗加大。 一个简单有效的 方法是把介质基片悬浮在接地板上方， 此 时总的 厚 度为h + 助， 等 效相对 介电 常 数气: f ，洲e ， ( h + 从) e ， 助 + h ( 2 . 1 ) 目 前 ， 一 个不 常 用 但 非 常 简 单的 降 低q 值的 方 法是 采 用大 损 耗基 片 或附 加有 耗 材 料。 例如用铁氧体材料作基片可以 明 显展宽频带， 且使贴片尺寸大为减小即实现了小 型化， 但由于损耗大，这种方法效率很低。 2 . 附加阻抗匹配网络 . 5. 硕士论文ku 波段微带阵列天线的设计与阵列天线的综合研究 这种方法实际上并不属于天线本身的问题， 而是属于馈线匹配问题. 由于线极化 微带天线的工作带宽主要受其阻抗带宽限制， 因此采用馈线匹配技术就能使微带天线 工作于较宽频带上。 例如采用简单的双枝节匹配技术， 可将带宽增大至2 倍左右。 利 用切比雪夫网络来综合宽频带阻抗匹配网络，可将带宽增大到4 倍左右。 3 . 采用多层介质基片 微带天线的结构采用多层介质基片，将馈电网络与天线贴片分别置于不同的介 质基片上， 这样可以获得宽频带的驻波比 特性。 这种类型的微带天线普遍采用的是电 磁祸合的馈电 方式。 如双层微带天线， 利用馈线本身对贴片进行馈电， 改变辐射贴片 与馈线的相对高度和改变贴片中心与馈线端点的相对位置，就可以获得一个匹配点。 利用这种馈电方式在基片厚度选取合适的情况下带宽可以达到7 . 7 % 。 目 前， 采用多层介质基片展宽频带的微带天线中， 馈电 还可以 利用口 径祸合实现， 也就是在天线辐射贴片与微带馈线之间加一个带有缝隙的接地板， 微带馈线通过此口 径对贴片进行馈电。 这样使馈电 层与辐射层完全隔离， 不但避免了馈电网络的 辐射干 扰，还可以对天线功能和馈电电路分别优化。 福合口径 接地板 图2. 2 口 径祸合微带贴片天线 同时， 采用多层介质基片还可以 实 现微带天线多频段工作， 当配置 得当时， 多个 谐振频率适当接近， 结果将形成频带大大展宽的多峰谐振电路。 上述的各种宽带方法 可以分别单独使用，但一般为了改善天线性能，常综合采用多种方法. 2 . 1 . 2 微带天线双极化技术 频谱资 源日 益紧张的现代卫星通信领域迫切需要天 线具有双极化功能101， 双极 化天线能 够同 时形成一对极化正 交、 频率相同的 工作 模， 可以 使通信容 量增加一倍， 双极化可以是双线极化， 也可以 是双圆 极化。 双极化天线最初是用来为一个频带提供 两条通信通道， 使通信容量增加一倍。 在现代通信和信息系统领域， 其意义已 不限于 此， 下面简要介绍天线的 双极化技术。 1 . 双极化功能的应用 双极化功能的主要应用于: 频率复 用、 收发一体化、 极化分集、 极化捷变等。 在 卫星通信领域双极化天线获得了 广泛的应用， 另外， 双极化天线在车辆防撞、 电子侦 察、电子对抗和雷达测量中也得到了应用。 硕士论文物 波段微带阵列天线的设计与阵列天线的 综合研究 2 . 双极化微带天线的结构 能够实现双极化工作的天线形式有两种。 第一， 利用两个相互正交的线极化或圆 极化天线单元， 可以形成双线极化天线或双圆极化天线; 第二， 直接采用双线极化单 元或双圆极化单元。 显然后者结构简单， 便于应用。 方形微带帖片和圆形微带帖片是 基本的双线极化单元。 如下图 所示，图 ( 1) 为方形双极化微带帖片天线单元， 在方形帖片的两个对称轴 上分别 用 两个探针或两条 微带线馈电 时， 会激 励 起两 个基模2 ， 才 。 : 和2 巩 了 1。 ， 它们等 幅 同相， 极化方向相互垂直。图中的v和h分别为相应的垂直极化和水平极化馈电端 口 . 图 (2 ) 为圆 形 双极 化 微带 帖 片 天 线 单 元， 将 基 模刀 “ 1 ; 作 为 其工 作 模式. 其周 长 是 一个波导波长， 当两个馈电口 相距四分之一波导波长时， 会同时激励起两个极化正交 模。 对于这些双极化单元， 两端同时馈电， 激励电 流的相位相差90度时， 天线单元 就成为圆极化单元。 图2 . 3 ( 2 ) 两种基本的双极化单元形式 后。 如果要提高双极化天线增益或者满足特定的方向性要求， 就要使用双极化阵列结 构。 两副正交单极化阵列可以组成一副双极化阵列， 其结构复杂显而易见。 有效的方 法是利用上述的双极化天线单元组成双极化天线阵。采用双极化天线单元形成阵列， 其结构相对简单， 容易与有源器件集成， 且造价较低。 文献【 1 5介绍了 一种采用反相 馈电 技术抑制交叉极化电平的方法， 能明 显提高 双极化阵的交叉极化性能. 2 . 1 . 3 微带天线的分析方法 对天线进行工程设计时， 为了 提高天线研制的质量和效率， 降低研制成本， 需要 对天线的性能参数作预先估算， 即进行理论分析。 天线分析的基本问题是求解天线在 辐射空间产生的电磁场分布， 通过求出电磁场， 进而得出天线的方向图、 增益和输入 阻抗等特性指标。 分析微带天线的基本理论大致可分为三类: 第一类是把对微带天线的分析简化为一维的 传输线问题， 最早出 现也是最简单的 是传输线模型法， 传输线模型法是将微带天线作为一段终端开路的微带传输线进行分 析 ， 传 输 准 tem 波 ， 线 长 即 贴 片 长 是 波 长 的 一 半 l . 凡/2， 人 为 准 tem 波 在 介 质 内的波长。传输线的两个开口 端等效为两个辐射缝， 缝长为贴片的宽度甲，缝宽为 硕士论文k u 波段微带阵列天线的设计与阵列天线的综合研究 介质板厚度h ， 缝口径场即为传输线开口端场强。 传输线模型限制了传输线法只能用 于矩形微带贴片天线及微带振子天线的分析， 此外， 传输线法得到的天线输入阻抗随 频率的变化不够准确. 第二类是把微带天线等效为二维的边值问题的求解， 主要是腔模理论， 该理论基 于 薄 微 带 天 线 线h 凡的 假设， 将 微 带 贴 片 与 接 地 板 之间 的 空间 看成 是四 周为 磁 壁、 上下为电壁的一个谐振空腔。 天线辐射场由空腔四周的等效磁流来得出， 天线输入阻 抗可根据空腔内场和馈源边界条件来求得。 空腔模型对微带天线的工作特性有着深入 的物理解释， 根据空腔模型可对贴片天线的边值问题进行定性的分析， 并判断数值仿 真结果的合理性。 空腔模型法可用于对各种形状的贴片天线的分析， 但基本上限于天 线厚度远小于波长的情况。 第三类是积分方程法即 全波理论， 积分方程法通常要先利用边界条件得出 源分布 的积分方程， 解出源分布， 再由 积分算式来求得总场。 由于实际问题的复杂性， 积分 方程的求解和场积分的计算一般都要借助数值计算技术来完成。 全波分析中的数值分 析方法主要包括矩量法( m o m ) 、 有限元法( f e m ) 、 时域有限差分法( f d t d)。 在这些数值 分析方法中， 矩量法最为常用， 时域有限差分法， 有限元法也运用较为广泛. 理论上 积分方程法可用于对各种结构、 任意厚度微带天线的求解。 然而作为数值解法显然要 受到计算模型的精度和机时的限制。 矩量法是目 前微带天线分析中应用最为广泛的方 法. 本文中 所用到的全波仿真软件a 朋。 ft d es i n g e r 就是基于矩量法。 随着计算机e 以技术的发展， 各种商用电磁仿真软件涌现出 来。 有ads 、hfs s 、 desi gner、ie 3d等。 各种电 磁仿 真软 件都是以 矩量 法、 有限 元、 时 域有限 差分 法等 基本的电 磁场全波分析方法作为内 核，并配以友好的图形界面以及丰富的参数转换、 图表输出功能。 使用电 磁仿真软件设计天线的 步骤是: 首先根据所给的 性能指标选择合理的天线 结构， 并在e da软件中建立天线结 构模型， 然后使用e da的 仿真功能对天线进行全波 分析数值计算， 再根据计算结果修改某些参数， 并将其设置为优化变量， 用e da软件 的 优 化功能 进行优 化， 以 使各 项性能 指 标达到或接近设计 指标 要求， 最后确定 天 线的 最终结构尺寸，将最终仿真结果输出。 2 . 2 微带天线单元的仿真设计 本节主要内容是设计和仿真一个工作于ku波段的宽频带双极化微带天线单元， 该 单元采用的是两个相互垂直的“ h ” 形状的祸合槽馈电的结构l，jll，1。 期望达到的天线 单元的设计要求是: 工作方式为双线极化，交叉极化电 平低; 中心频率为1 2 g h 比 ，f s 开 火 2 的频率范围大于n. 0 一 13.o g f 比 ; . 8. 硕士论文知 波段微带阵列天线的设计与阵列天线的综合研究 2 . 2 . 2 仿真结果及分析 利用基于矩量法的仿真软件六 刀 5 o ft d esigner进行仿真， 分别由“ v ” 端口 和“ h ” 端口 馈电，得到的结果如下所示，两种情况下天线单元在中心频率 1 2 g hz 处方位角 等于0 和90 度两个截面的方向图如下: 图2. 5 v端口方向图图2 .6 h端口的方向图 可见天线的半功率波瓣宽度约为8 00。同时可以看出微带天线方向 图是单向辐射 的， 因为根据微带天线理论， 在微带馈线下方四分之一自由空间波长处安放一块平行 于基片的平面反射板， 这样就可以获得单向辐射。 理论与实践证明， 此时可获得最佳 匹配和最小副瓣，并且对h面方向图影响最小。天线单元垂直极化端口 馈电时的e 面主极化方向图和交叉极化方向图和两个端口的驻波比、 隔离度曲线以 及单元的增益 随频率变化的曲线如下: 一 3 o r . . . ， 尸 . . . . . . ， . .5 1 ，se . . es. . . . ， ee种 种 种 种 ， seesse ， 尸 we， 三 一 _ _一 4 、 一一一一v 夕 限( p 叮t 2) v 匀 服印 盯t l ) 日 廿 贾兮 七 参 3 主极化 一 一 一 交叉极化 _ l _ j _ 一 : 一 及 、 、 多 ， -50刊-90110 目p 份 佣一 60一 3 030印g0: 六 图2. 7 交叉极化方向图 1 1 . 51 2 . 51 3 . 5 f g h z 图2. 8两端口的驻波比曲线 闷o 7 .一 户 5 - - - - 一 - 一 - 一 、 - 3 (尸ndulu叫.。目p l 和景和邓 1 01 l 图 2 . 9 f 炼 1514 隔离度曲线 1 o 可见， 垂直极化时，交叉极化电 平可达一 3 o d b， 1 11 21 31 4 f ghz 图2 . 10 增益变化曲 线 水平极化时的结果相近，所以双 极化天线单元的交叉极化性能很好 10. 9 一 13. z g h z ， 阻抗带宽约为 19. 。 由仿真得到的端口一的咫环 叹 2 的频率范围为: 1 % 。 端口二的咫环 欠2 的频率范围为:1 1 . 0 一1 3 . 2 1 1- 硕士论文k u 波段微带阵列天线的设计与阵列天线的综合研究 o hz， 阻抗带宽约为1 8. 3 %。 天线在频率1 0. 0- 1 4. o g h 比 之间两个端口 之间的隔离度都 小于礴 o db， 隔离性能很好。 在频率11.0 一 1 3 .0 g hz 频率范围内天线的增益均大于6 d b ， 在中心频率1 2 g hz 处增益为7. 7 db.可见，该单元基本满足设计要求。 2 . 3 均匀天线阵列的设计 微带天线阵本身具有薄、轻和容易制作等优点，利用它实现双极化阵一直是人 们非常关心的课题。 本节利用上节设计的宽带双极化微带天线作为阵单元。 设计了一 个可工作于ku波段的宽频带高隔离度的双线极化微带直线阵， 阵列馈电网络分别采用 了 等幅同 相的并联馈电 和串联馈电的 方式【231。 在初步确定了 天线单元的结构和尺寸后， 我们接下来就可以设计阵天线了， 一般 步骤如下: 1 .单元数的 确定。 天线阵增益随单元数的 加倍可增加约3 db， 微带天线阵的 愤电 损耗一般为3 db， 所以 微带天线阵的实际增益等于天线增益减去馈电损耗， 这样就可以 根据设计要求确定天线阵单元数。 2 单元间距的选择。天线组阵时，为了减小单元间的互祸但又不至于引起方向 图出 现栅 瓣，同时为了 便于放置 馈电 网 络， 单 元间 距通常 取。 .6 凡到0. 8 人. 3 .馈电网络的设计。设计馈电网络的目的主要是确保各阵元得到要求的激励电 流幅度和相位，以 便形成所要求的方向图。 同时要考虑设计的馈电网络尽量简单， 产 生的损耗和辐射要尽量小。 2 . 3 . 1 串联馈电 和并联馈电 介绍 设计馈电网络就是要使各阵元得到所要求的 激励电流幅度和相位， 以便形成所要 求的 方向图， 或者使天线性能某项指标最佳. 对馈电网 络的主要要求是阻抗匹配、 损 耗小、 频带宽和结构简单等。 实际设计中 要注意简化馈电网 络， 减小馈线损耗， 使馈 线各接头以 及馈线和单元间匹配良 好。天线阵的 馈电形式主要有并联馈电 ( 如图( a) 所示)和串联馈电 ( 如图( b)所示)两种形式，也有这两种形式的组合。 络晌们暇 图 2 . 1 1并联馈电图 2. 12 串联馈电 并联馈电是利用若千个功率分配器， 将输入功率分配到各个阵元。 并联馈电 有设 计简单的 特点， 各阵元所要求的激励电流幅度和相位可以 通过设计馈电网络来实现。 硕士论文k u 波段微带阵列天线的设计与阵列天线的综合研究 当所有阵元相同时， 各元所要求的振幅分布可以 利用改变功率分配器的各路功率分配 比 来实现， 而各阵元所要求的 相位分布， 可采用控制各路馈线长度或附加移相器来实 现。 对功率分配器除要求保证功率分配以外，还要求各路输出端之间有较好的隔离。 当 馈线等长时， 波束指向与频率无关， 所以 频带宽度主要取决于阻抗匹配的频带， 比 较容易实现宽频带。 这种馈电形式适用于固定波束阵， 也适用于可进行波束扫描的相 控阵天线。 并馈线阵的一个最大优点是阵元之间以及阵元与馈电网络之间都相对独立， 并且 容易实现宽频带。 这种馈电 方式的一个主要缺点是馈电网络占用了很大的空间， 随着 阵列尺寸的增加， 到各阵元的馈线的长度也增加， 这导致馈线的损耗加大， 降低了天 线的效率。 此外大面积的 馈电网 络使得馈线的 辐射不容忽视，因为每个直角弯和t 接 头都是寄生辐射源。馈线辐射的主要影响是增加旁瓣电平和降低了天线增益。 串联馈电是将天线阵元用微带传输线串联连接起来， 此时对馈电的主传输线来 说， 每一天线阵元都等效于一 个四 端网 络。 所以从等效网络观点来看， 这种馈电 形式 确切地说是一种级联形式馈电。 由于串馈阵列各元互相影响， 所以设计比并联馈电复 杂， 特别在考虑单元间互祸影响时， 需要采用迭代法来设计， 串馈阵工作带宽也比较 窄，但是和并联馈电阵列相比，微带串联馈电阵列有以下优点: 1) 馈线长度短，由 馈线引入的散射和辐射损耗较小，提高了天线效率。 2) 贴片单元排列紧凑， 空间利用性好，利于馈电网 络放置。 3) 不用单独设计馈电网络。 直线阵是最基本的天线排阵 方式， 本章所设计的为八元的均匀直线阵， 对均匀分 布阵列， 要求天线各单元得到的电 流等幅同 相， 以 形成侧射方向图， 而且需要各个单 元和馈电网 络的各输出端相匹配. 前节设计的天线单元两个端口 输入阻抗的实部和虚 部随频率变化的曲线为: 耳之 绷翎 1 . (z印 o rtl ， 护 . 陀 1 ) ， 1 . (zl r 盯以 护 .叨 ) 洲150100 : 二 ， ，州 一 s0 一1 叨 印佣印。 1 01 11 21 31 41 01 11 21 31 4 f c 妇 2 f 洲幻 图2. 13 阻抗实部的 变化曲 线图2 .l 4阻抗虚部的变化曲 线 可见在频率频率11.0 一 1 3 g hz 范围内，端口 一和端口二的阻抗实部都约为s s q， 端口 的输入阻抗虚部都约等于零。 基于此单元的输入阻抗， 下面分别设计采用并联馈 电 和串联馈电两种方式的八元均匀直线阵。 2 . 3 . 2 并联该电 八元均匀直线阵的 设计 .1 3. 硕士论文ku 波段徽带阵列天线的设计与阵列天线的综合研究 通常， 均匀分布并联馈电阵的馈电网 络是由多个二等功分器组成， 在此， 我们采 用多级t 接头型二等分功分器组成并联馈电网络。 常用的两种结构形式的二等分功分 器结构如下图所示: 口 姗闭曰 招 私-川曰 幻 盗 141 1 ， 21 监 别 ，l 抽 入 图 2 . 15 t接头 我们采用的是第一种结构， 图 2 . 1 6 份 i l k i n s o n 二等分功分器 t 形接头功率由1 端口输入，输入端微带线的宽度为 不， 特 性阻 抗 为2 : ， 经过 长为 四 分 之 一 波长 ， 宽 度巩， 阻 抗为2 : 的 匹 配 段 后， 均 分 为 2、 3 两 路， 输出 端微带 线的 宽 度为叱， 阻 抗为23， 匹 配段的 上 端 等 效为 两 个 输出 端口 的并联，所以各段阻抗之间的关系为: 几= 寸 2 ， 中 2 。 1 2 ( 2 . 1 1 ) 右图 所 示的 w i lk in so n 二 等 分 功 分 器， 输 入、 输出 微 带 线 特性阻 抗 都为20， 上 下 两 变 换 段 的 特 性 阻 抗 都 为 为 乙 ， 长 度 为 凡/4， 由 w i l k i ns on 功 分 器 的 理 论 可 知 ， 对 于 功 率 等 分 情 况 ， 乙二 沂 抢 。 . 在 设 计 整 个 馈电 网 络 时 ， 我 们 可 以 采 用 逐 段 匹 配 的 方 法 ， 每 段 分 别 用人14阻 抗 变换器使此段的输入阻抗与馈线的 特性阻抗匹配，这样有利于展宽频带。考虑到t 型 接头、 微带阶梯以及直角弯头的不连续性对输入阻抗的影响， 为了实现最佳匹配， 需 要对馈电网络进行优化设计。为了保证各单元同相， 必须确保各路馈线长度相等。 下 面在高级设计系统ads 中对馈电网络进行了 设计，在a ds中的原理图如下: 图2. 17 镇电网络的原理图 硕士论文k u 波段徽带阵列天线的设计与阵列天线的 综合研究 利用a d s 的优化功能，将各级功分器的阻抗变换段的长和宽设为待优化变量， 优化目 标是输入端的反射系数最小、 频带尽量宽， 优化得到馈电网络的的插入损耗和 反射系数曲线以及各端口的输出相位曲线如下: 日客 / 一 、 下层 若 绪 . ， 盯 - / 盆驴叫 、公/一 尸 扮、 下 一 nl ， / 一声 /一 ! 一一 入 、/ 荡 子 . 爵弓 。 服_ 畏 。 . ， 困 ”1 丹 ” ， ”二 2 口 口 2 ， 2 口二 ， . 1 朋” . ”2 ”月 ” . ”刀 1 却 ， 刀口月 ， 2 . ， 抽口 . 自 砚 创电 卜、 一 二 扭 一几 三 翻湘把翻扔御扔 众.色帅石p 翻拍祖招抓娜 户八，6订公毯 即翻聆 自 砚 自电 图2. 18 传输系数图2. 19 翰入端反 射系数图2. 20 输出 相位 可见， 在频率1 1 一 1 3 g i 比 范围内， 功分器的 插入损耗5 91、 5 93、 5 95和5 97 ( 这 里只给出其中四个端口的5 参数) 均约等于. g d b ， 输入端的反射系数5 99小于一 20db， 所以功分器输入反射小，各输出端口功率相等， 输出相位一致， 达到设计要求。 天线 阵端口1 馈电网络的设计同上。 并联 馈电 八元均 匀直线阵 在 全波仿真软件户 司 加 ft d es i gner中的 模型如下图 所示. 我们取的单元间距为0. 6 几 = 15mm( 中心频率 1 2 ghz ，又 为25呵): 图2. 21 并馈八元均匀阵的模型 天线阵列在频率为1 2 g hz 时， 分别对“ v ” 端口 和“ h ” 端口 馈电 得到的天线阵 在频率1 2 g hz 处方位角等于0 和90度两个截面的方向图如下: 燕 不奄 气谁 图2. 22 v端口 的方向图图2 .2 3h端口 的方向图 可见两个端口的方向图 基本一致， 主瓣方向为天线法线方向， 天线零点主瓣宽度 约为25度， 第一副瓣电 平约为 一 12 .4db， 第一副瓣位于离主瓣士 1 70的 位置。 硕士论文k 臼 波段微带阵列天线的设计与阵列天线的综合研究 天线阵两个端口的驻波比曲 线以及天线增益随频率变化的曲线为: 唱a尸da。yu.0毛 参 1 0