串并联混合馈电阵列天线.docx

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串并联混合馈电阵列天线

题目：

串并联混合馈电

阵列天线

摘要

本设计主要是研究阵列天线的各种馈电方法，并对他们进行比较、重点研究串联并联混合馈电方法。

在本设计中，通过比较串联、并联和串并联馈电方法后，使用串并联混合的馈电技术制作了中心频率为3GHz的简单、低成本和高增益微带阵列天线。

天线的优化设计参数的选择实现紧凑的尺寸以及可能的最好的高辐射效率、高增益等特点。

在进行串并联混合馈电阵列天线设计之前，着重分析设计该天线所需要的知识，包括T型二等分功分器和微波电路的不连续性问题。

这些知识对阵列天线的设计显得颇为重要，它们能显著改善天线的匹配效果，并将在所设计的天线中得到应用。

经过一番比较和论证之后，设计了两种基于串并联混合馈电技术的阵列天线。

所设计的天线阵列为6x1和4x2。

最佳馈电系统参数是由一系列天线仿真决定。

仿真是通过使用HFSS天线仿真软件完成，它是商业的、精确的天线模拟器。

本设计基于简单和低成本需要，使用介电常数εr=4.4和高度h=1.6mm的FR4介质基板，设计天线的S11达到了-30dB。

这些天线仿真的增益是约9dB和10dB，旁瓣的增益保持低于主瓣。

由于这这些天线的谐振频率在3GHz，这些天线是适合在S波段的应用，如卫星通信、雷达、医疗应用和其他无线系统。

关键词：

微带天线；阵列天线；串联馈电阵列；并联馈电阵列；串并联馈电阵列

Abstract

Thisdesignismainlytostudyavarietyoffeedingmethodofarrayantenna,andcomparethem,focusingonhybridparallelseriesfeedmethod.Inthisdesign,bycomparingtheseries,parallelandseries-parallelfeedmethod,weuseaseries-parallelhybridfeedtechnologytoproducetwosimple,low-costandhighgainmicrostriparrayantennawhichcenterfrequencyis3G.Theoptimumdesignparametersoftheantennaareselectedtoachievethecompactdimensionsaswellasthebestpossiblecharacteristicssuchashighradiationefficiency,highgain,etc.Beforetheseriesandparallelmixedfeedantennaarraydesigning,wewillfocustoanalyzetheknowledgeneededinthedesignoftheantenna,includingT-bisectionsplittersandmicrowavecircuitdiscontinuities.Theseknowledgelooksfairlyimportanttothedesignofthearrayantenna,theycansignificantlyimprovethematchingoftheantenna,andhasbeenappliedinthedesignofantennas.Aftersomecomparisonandverification,Idesigntwoarrayantennaswhichusedtheseries-parallelhybridfeedtechnology.Thedesignedantennasare6x1and4x2arrays.Theoptimumfeedingsystemisdecidedbasedonthevariousantennaparametersthataresimulated.ThesimulationhasbeenperformedbyusingHFSSsoftsimulatorwhichisaCommercialandpreciseantennasimulator.ThedesignThisdesigninordertoachievesimplicityandlowcost,usingFR4dielectricsubstratewhichthedielectricconstanter=4.4andheighth=1.6mm.theS11ofdesignantennareaches-30dB.Thegainofthesesimulatedantennasisfoundabout9dBand10dB，thesidelobelabelismaintainedlowerthanmainlobe.Since,theresonancefrequencyoftheseantennasisaround3GHz,theseantennasaresuitableforSbandapplicationssuchassatellitecommunication,radar,medicalapplications,andotherwirelesssystems.

Keywords:

microstripantenna;arrayantenna;seriesfeedarray;parallelfeedarray;series-parallel-fedarray.

引言

微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。

早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。

在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。

现代无线通信系统需要低剖面、重量轻、高增益天线、和简单的结构，保证可靠性、移动性和效率高的特点。

微带天线能够满足这种要求。

微带天线的主要特点是相对容易制作，重量轻，成本低，适合于安装表面或从一个非常薄的突起表面。

这种天线吸收了印刷电路技术所有的优点。

微带天线的这些优点使他们流行于许多无线通信应用，如卫星通信、雷达、医疗应用等。

微带天线的缺点是频带窄、不适合用于高功率的波导、同轴电缆甚至带状线。

因此，微带天线的设计面临的挑战是增加带宽和增益。

微带天线通常采用天线阵列的形式，由馈电网络控制对天线子阵的激励幅度和相位，以获得高增益、强方向性等特点。

不同的微带天线阵列的配置能够获得高增益，宽带宽和高效率。

阵列中的贴片之间的电压分布取决于馈电网络。

适当的馈电网络聚集所有的感应电压馈电到一点。

适当的阻抗匹配能够使整个串并联馈电阵列成为高效率微带天线。

天线元件间的功率分配可以通过馈电网络的改变实现。

混合馈电网络通过引入相位变化可以改变辐射方向[13]。

设计参数的选择（介电材料、高度和频率等）是非常重要的，因为天线的性能取决于这些参数。

辐射性能可以通过适当的设计结构加以改进。

使用高介电常数基板可以使微带天线尺寸小型化。

使用低介电常数基板底可以获得更好的效率和更宽的带宽，但它需要较大的单元尺寸。

超导块单轴基板微带天线在毫米波长度辐射效率和增益高。

微带贴片宽度的不连续性减少谐振微带天线的长度和辐射效率[13]。

不同的雷达系统，如合成孔径雷达（SAR），航天飞机成像雷达，遥感雷达和其他无线通信系统工作在L，C波段和S波段。

对于这种频带如S波段，微带天线由于其成本低、重量轻和坚固性使其是第一选择。

本文通过计算和仿真的办法获得设计参数，以达到所需的尺寸以及有效的辐射效率特性。

本文还比较微带阵列天线并联馈电、串联馈电和串并联混合馈电的特点，以获得最佳的馈电系统。

这些设计的天线由于结构简单、制造方便和高增益和高效率是S波段无线应用的潜在候选者。

微带天线具有小型化、易集成、方向性好等优点，因此其应用前景广阔，尤其可在无线电引信上积极的推广与应用。

1微带天线的介绍

1.1微带天线的概述和分类

微带天线是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质板上形成的天线[10]。

导体薄片称为辐射元,辐射元的形状可以是方形、矩形、圆形和椭圆形等。

微微带天线可以分为三种基本类型：

微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线。

微带贴片天线（MPA）是由介质基片、在基片一面上有任意平面几何形状的导电贴片和基片另一面上的地板所构成。

实际上，能计算其辐射特性的贴片图形是有限的。

微带贴片天线中常用的矩形贴片如图1.1所示。

微带行波天线（MTA）是由基片、在基片一面上的链形周期结构或普通的长TEM波传输线（也维持一个TE模）和基片另一面上的地板组成。

TEM波传输线的末端接匹配负载，当天线上维持行波时，可从天线结构设计上使主波束位于从边射到端射的任意方向[10]。

其中一种方式如图1.2所示

图1.1微带天线图1.2微带行波天线

微带缝隙天线由微带馈线和开在地板上的缝隙组成。

缝隙可以是矩形（宽的或窄的），圆形或环形[10]。

微带缝隙天线如图1.3所示。

窄缝圆环缝宽缝圆贴片缝

图1.3微带缝隙天线

大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元，因此，可以用微带天线或同轴线馈电。

而微带线或者同轴线馈电又分为中心馈电和偏心馈电。

因为天线输入阻抗不等于通常的50传输线阻抗，所以需要匹配。

匹配可由适当选择馈电的位置来做到。

但是，馈电的位置也影响辐射特性[10]。

1.2微带天线的优缺点

同常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点。

因而，在大约从100MHz到50GHz的宽频带上获得了大量的应用。

与通常的微波天线相比，微带天线的一些主要优点是：

•重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线；

•制造成本低，易于大量生产；

•可以做得很薄，因此，不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能；

•无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上；

•天线的散射截面较小；

•稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化（左旋和右旋）；

•比较容易制成双频率工作的天线；

•不需要背腔；

微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上）；馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。

但是，与通常的微波天线相比，微带天线也有一些缺点：

•频带窄；

•有损耗，因而增益较低；

•最大增益实际上受限制（约为20dB）；

•馈线与辐射元之间的隔离差；

•端射性能差；

•可能存在表面波；

•功率容量较低。

但是有一些办法可以减小某些缺点。

例如，只要在设计和制造过程中特别注意就可抑制或消除表面波。

在许多实际设计中，微带天线的优点远远超过它的缺点。

在一些显要的系统中已经应用微带天线的有：

•移动通信；

•卫星通讯；

•多普勒及其它雷达；

•导弹遥测；

•便携装置；

•环境检测仪表和遥感；

•复杂天线中的馈电单元；

•卫星导航接收机；

•生物医学辐射器。

这些绝没有列全，随着对微带天线应用可能性认识的提高，微带天线的应用场合将继续增多。

2矩形微带天线的理论

2.1矩形微带天线的馈电分析

矩形微带天线的馈电分为中心微带馈电和偏心微带馈电。

馈电点的位置也决定激励那种模式。

当天线元的尺寸确定以后，可按下法进行匹配：

先将中心馈电天线的贴片同50Ω的馈线一起光刻，测量输入阻抗并设计出匹配变阻器；再在天线元与馈线之间接入该匹配变阻器，重新做成天线。

另外，如果天线的几何图形只维持主模，则微带馈线可偏向一边以得到良好的匹配。

特定的天线模可用许多方法激励。

如果场沿矩形贴片的宽度变化，则当馈线沿宽度移动时，输入阻抗随之而变，从而提供了一种阻抗匹配的简单办法。

馈电位置的改变，使得馈线和天线之间的耦合改变，因而使谐振频率产生一个小的漂移，而辐射方向图仍然保持不变。

不过，稍加改变贴片尺寸或者天线尺寸，可补偿谐振频率的漂移[12]。

对于微带馈电，用惠更斯原理可以把馈源模拟为贴在磁壁上沿垂直方向的电流带。

在薄的微带线中，除了馈线的极邻近区域外，在贴片边界上的任何地方，这个电流都很小。

在理想的情况下，可假定馈源是一个恒定电流的均匀电流带。

边缘效应要求电流带的宽度等于馈线的有效宽度，馈线对微带天线输入阻抗的影响表现为增加了一个感抗分量，此感抗可以由电流带的尺寸来计算[12]。

2.2用传输线模型分析法分析矩形微带天线的辐射原理

如图2.1所示，设辐射元的长为L,宽为W,介质板的厚度为h,现将辐射元、介质板和接地板视为一段长为L的微带传输线,在传输线的两端断开形成开路。

根据微带线理论,介质板厚度h,场沿h方向均匀分布。

在最简单的情况下,场沿宽度W方向也没有变化,而仅在长度方向（L=λ/2,λ为介质内波长）有变化。

在两开路端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量,两垂直分量方向相反,水平分量方向相同,因而在垂直于接地板的方向,两水平分量电场所产生的远区场同相叠加,而两垂直分量所产生的场反相相消。

因此,两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙,缝的电场方向与长边垂直,并沿长边W均匀分布。

缝的宽度为ΔL≈h,长度为W,两缝间距为L≈λ/2。

所以,微带天线的辐射可以等效为由两个缝隙所组成的二元阵列[2][3][6]。

图2.1开路端电场结构，场分布侧视图和等效辐射缝隙

2.2.1辐射场及方向函数

设缝隙上电压为U，缝的切向电场沿x轴均匀分布，Ex=U/h，沿z方向的磁流

（2-1）

考虑到理想接地板上磁流的镜像，缝隙的等效磁流密度要乘2，故方向z等效磁流为

（2-2）

再设磁流沿z方向也均匀的，并注意到h<<，则单缝辐射的远区场为[1]

（2-3）

对于间距为l的两个隙缝组成的二元阵，因其间距l/2，又同相激励，并注意到在图所示坐标系下两阵元间相移为klsincos，故当=/2时，其E面辐射方向性函数为[1][6]

（2-4）

注意，矩形微带天线的E面方向图由于接地板的反射作用，使得辐射变成单方向的了。

2.2.2辐射电阻

天线的辐射电阻R用来度量天线辐射功率的能力，它是一个虚拟的量，定义如下：

设有一个电阻R，当通过它的电流等于天线上的最大电流时，其损耗的功率就等于辐射功率。

显然，即辐射电阻越大，天线的辐射能力越强。

由上述定义得辐射电阻与辐射功率的关系为[3]

（2-5）

即辐射电阻为

（2-6）

仿照引入辐射电阻的办法，损耗电阻R1为

（2-7）

将上述两式代入效率公式，得天线效率为

（2-8）

可见，要提高天线效率，应尽可能提高R，降低R1。

2.2.3输入导纳

通过距离L1和L2换算后可得馈电点的输入导纳为[3]

（2-9）

式中，Zw=1/Yw；Z0是微带线的特性阻抗。

导纳Yw由下式给出，

（2-10）

（2-11）

（2-12）

归一化线伸长的表示式

（2-13）

（2-14）

2.3用腔模理论分析矩形微带天线

介质基片中（贴片与接地板之间）的场问题可由腔膜理论精确地求得。

微带天线类似于介质加载的谐振腔，它们也呈现高阶的谐振现象。

这个介质加载腔由微带天线的上下导体与沿贴片四周的磁壁（模拟开路）所限定。

这是一个近似模型，原理上说它导致输入阻抗为零或无穷大的谐振值，且不辐射任何功率。

但假设空腔内的实际场近似于这个模型所产生的场时，由此所计算的方向图、输入阻抗和谐振频率都与实验结果吻合得很好，是一种可接受的方法。

为了更深入的了解腔模理论，我们将从物理上解释腔内场的形成和侧壁的辐射。

当给微带传输线加电压时，电荷只分布在贴片的上下两个表面，以及接地板的表面。

电荷的分布受两种作用控制，即引力和排斥作用。

引力作用是贴片的下表面和接地板上的异性电荷相互吸引的作用，它使电荷的分布趋向更加集中于贴片的下表面。

排斥作用使贴片下表面的同性电荷之间相互排斥的作用，它使电荷分布趋向于使部分电荷由贴片的下表面推向贴片的边缘和上表面。

这些电荷的运动在贴片的上表面和下表面产生感应电流J和，如图2.2所示。

实际的微带传输线的高度和宽度的比值是很小的，所以引力作用占主导作用，从而大部分电荷和电流都集中于贴片的下表面。

在贴片的边缘和上面只有一小部分电流流动。

但这部分电流随着高度和宽度的比值的减小而减小。

理想情况下当高度和宽度的比值足够小时，贴片上表面的电流将为零，在贴片的边缘将没有切向磁场产生。

这样，贴片的四个侧壁就可以看成是理想的磁壁。

同时在实际中高度和宽度的比值尽管很小，但是不为零，切向磁场不是完全为零的。

但是当它很小时，贴片的四个侧壁可以很好的近似看成是理想的磁壁[10]。

图2.2微带传输线天线贴片上的电流和电荷分布

如果微带传输线天线只看作一个腔体时，并不能求出电场和磁场的幅度。

事实上当腔体的各壁看作是无耗时，腔体将不能对外辐射而且输入阻抗也是纯电抗性的。

并且阻抗也只有实部部分。

为了能够产生辐射，所以必须引入有耗器件。

所以我们引入了辐射电阻Rr和损耗电阻RL。

这两个电阻的引入使输入阻抗变的复杂，有了虚部部分，虚部部分表示Rr和RL所引起的辐射和电传导介质的损耗。

为了用腔模来表达微带传输线天线的损耗，我们引入有效损耗因子δeff来表达损耗。

天线有效损耗因子δeff的大小我们一般取为品质因数Q的倒数（δeff=1/Q）。

由于微带传输线厚度一般很小，介质基片中（贴片与接地面之间）所产生的波到达微带边缘时要产生明显的辐射。

因此只有入射能量的一小部分被辐射，因而天线被看成不是很有效的。

贴片下方的场是呈余弦分布的驻波。

当介质基片的厚度很小（h《λ其中λ是在介质中传播的波长）时，场的大小是和高度无关的常量。

同时，由于介质基片的厚度很小，沿着贴片边缘场的杂散效应也很小，这就是电场几乎沿着贴片表面的法向的原因。

因此在腔内只考虑TM模式的场的结构。

所以腔体的上下两个壁看作理想的电导体，四周的四个侧壁看作理想的磁壁（沿着这四壁的切向磁场为零）[10]。

2.3.1等效电和磁流密度

利用腔模理论可以将微带传输线天线看作一个介质加载的腔，腔体的上下两个壁是理想的电导体，侧壁的四个壁为磁壁。

假设介质的大小不超过贴片的边缘。

四个侧壁分别代表产生辐射的四条槽。

根据惠更斯原理，微带传输线贴片可由一个上表面的等效电流密度为Jt的贴片代替（在贴片的下表面的也存在等效电流密度为Jb，但在这个模型中不需要）。

四条缝将用等效电流密度Js和等效磁流密度Ms表示[10]。

如图2.3所示，

Js=n×Ha（2-15）

Ms=-n×Ea（2-16）

其中Ea和Ha分别表示缝的电场和磁场。

（a）有接地面的Js,Ms（b）有接地面的Js=0,Ms（c）没有接地面的Ms

图2.3矩形微带传输线四个面上的等效电流密度

因为微带传输线的高度和宽度的比值很小，从而贴片上表面的等效电流密度Jt比下表面的等效电流密度Jb小很多，所以我们可以忽略它，假设它为零。

同时贴片边缘的切向磁场非常的小，理想的时候也为零。

因此我们就可以认为等效电流密度Js为零。

因此只有沿贴片四周的等效磁流密度Ms不为零，如图2.3。

由于接地面的存在，根据镜像原理式表示的等效磁流密度Ms将要加倍。

因此最后的等效磁流密度为[10]

Ms=-2n×Ea（2-17）

它沿着贴片四周向空间辐射。

我们看到，按传输线理论，微带传输线天线由两条沿着贴片长边的两条槽表示。

而腔模理论中，微带传输线天线用四条槽表示，但只有沿着长边的两条槽向外辐射，另外两条沿宽边的槽几乎不辐射。

因此也只有沿着长边的两条槽作辐射槽。

两条槽由两个低阻抗的长度为L的平行板传输线隔开。

传输线的长度大约为λ/2，其中λ为波在介质中传播的波长，以使场在两条槽处的极化相反。

两条槽就像二元阵列中两个相隔λ/2的阵因子。

平行于接地面的场分量同相相加而在垂直单元方向给出最大值，形成侧射天线。

利用等效原理，每条槽都可以等效为能产生相同辐射场的磁流密度为Ms的一个磁偶极子。

图2.4表示的是沿两条槽的等效磁流密度的分布，在宽为W高为的面上有着相同的幅度和相位。

两条缝就像二元阵列中两个有相同的幅度和相位并且相隔L的源。

因此这两源沿贴片和接地面的法向形成侧射模式[10]。

图2.4微带传输线的辐射缝和等效磁流密度

2.4微带阵列天线理论

微带天线不仅作为单个元使用，而且也很流行用来组成阵列天线。

微带天线的主要缺点是它辐射效率仅覆盖在一个窄频的频率并且它们不能工作在高功率水平的波导、同轴线甚至带状线。

在各种阵列配置、馈电方法、介电材料和接地平面的帮助下，这可以降至最低。

天线阵列可以使天线系统的波束扫描，增加方向性和增益以及提高各种其他功能，对于单元天线这将是困难的[9][11][12]。

微带天线单元的增益较小，一般使用FR4版的单个贴片单元的辐射增益只有2～4dB，为了实现远距离传输和获得更大的增益，尤其是对天线的方向性要求比较苛刻的场合，常采用由微带辐射单元组成的微带阵列天线，如果对增益要求较高，可采用大型微带阵列天线结构。

首先分析平面微带阵列天线的激励电流与电场分布情况，无论是线天线还是面天线，其辐射源都是高频电流源，天线系统将高频电流源的能量转换成电磁波的形式发射出去，讨论电流源的辐射场是分析天线的基础。

假设由若干相同的微带天线元组成的平面阵结构，建立三维坐标系分析阵列天线的场量分布情况。

以阵列的中心为坐标原点，天线在x轴方向和y轴方向的单元编号分别用m和n表示。

以原点天线单元为相位参考点，为了简化分析，假设阵列中各单元间互耦影响可以忽略不计，天线阵在远区的辐射总场E（θ,ϕ）为[9]

E（θ,ϕ）=f（θ,ϕ）⋅S（θ,ϕ）（2-18）

式中，f（θ,ϕ）为阵元的方向性函数，S（θ,ϕ）为平面阵的阵因子。

平面阵的方向函数等于单元天线的方向函数与阵因子的乘积，可以利用线阵方向性分析的结论来分析平面阵列的方向性。

3软件介绍

3.1HFSS天线仿真软件

HFSS–HighFrequencyStructureSimulator,Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件；是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。

HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。

HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。

使用HFSS，可以计算：

①基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；②端口特征阻抗和传输常数；③S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；④结构的本征模或谐振解。

而且，由AnsoftHFSS和AnsoftDesigner构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。

3.2DXP画图软件

ProtelDXP2009是Altium公司于2009年推出的最新版本的电路设计软件，该软件能实现从概