线极化微带天线阵列的设计

线极化微带天线阵列的设计

摘要

微带、微波起源于上世纪中期，在上世纪末就已经展开了对实用天线的研究并制成了第一批实用天线，现在微带天线方面，无论在理论还是应用，都已经取得了很大进展，并在深度和广度上都获得了进一步发展。微带天线技术越来越成熟，其应用与我们的生活、军事、科技都息息相关。体积小、重量轻、剖面薄是微带天线优于普通天线的特点，并且它适合用于印刷电路技术大批量生产，所以能够制成与导弹、卫星表面相共型的结构。因此微带天线在军事、无线通信、遥感、雷达等领域得到了广泛的应用。但是根据微带天线自身的结构特点，仍存在一些缺点，例如频带窄、效率低、增益低、方向性差。解决这些问题的方法就是：将若干个天线单元有规律的排列起来，通过利用这些天线单元构成天线阵列，从而来提高天线的增益、增强天线的方向性。

本文在学习微带天线理论及微带天线阵列基本理论的基础上，利用高频电磁仿真软件HFSS对阵列天线进行仿真设计。设计了中心频率在5.8GHz的阵列天线，对天线的特性进行了深入细致的研究。分别对单个天线阵元和天线阵列进行了仿真，天线阵列的增益明显大于单个微带天线，且方向性更好。因此采用天线阵列的形式进行仿真并对结果中各相关参数进行对比分析差异，优化调整了相关参数。仿真天线的各项指标均达到要求，进行了对实物的加工，在微波暗室内测试出天线的相关参数并与设计指标、仿真结果进行比较，最终达到了设计要求。 关键词：微带天线 天线阵 方向性 增益 HFSS仿真

ABSTRACT

Microstrip, microwave, originated in the middle of the last century, in the end of last century has launched the research of practical antenna and made the first batch of practical antenna, the microstrip antenna has made breakthrough progress now, no matter in theory or application on the depth and width of further development, this new antenna has been increasingly mature, its application to our daily life, military, science and technology are closely related. Compared with the common antenna microstrip antenna with small volume, light weight, the characteristics of thin section, it can be made with missile and satellite surface phase structure, and suitable for mass production printed circuit technology. Therefore, microstrip antenna has been widely used in wireless communication, remote sensing and radar. However, according to the structure of microstrip antenna, there are still some shortcomings, such as narrow band, low efficiency, low gain and poor directivity. The way to solve these problems is to arrange a number of antenna elements in a regular arrangement, and make up the antenna array to improve the gain and direction of the antenna.

Based on the theory of microstrip antenna and basic theory of microstrip antenna array, HFSS is used to analyze the array antenna. The array antenna with the center frequency of 5.8GHZ is designed, and the characteristics of the antenna are studied in detail. The gain of antenna array is obviously larger than that of single microstrip antenna, and the direction is better. Therefore, the antenna array was used for simulation and the correlation parameters in the results were compared and analyzed, and the correlation parameters were optimized and adjusted. Simulation of the antenna of the indicators are up to par, the physical processing, and testing in microwave dark room to the related parameters of the antenna, and comparing with design index, the simulation results, finally reached the design requirements.

Keywords: miccrostrip antennas antenna array directivity gain HFSS simulation

目 录

第一章 绪论 ........................................................................................................................................ 1

1.1 微带天线的发展、研究背景及意义 ................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................................... 1 1.3 论文主要内容及工作 ........................................................................................................... 2 第二章 微带天线及其阵列基本原理 ................................................................................................ 4

2.1 微带天线的结构 ................................................................................................................... 4 2.2 微带天线的基本原理 ........................................................................................................... 4 2.3 微带天线的馈电 ................................................................................................................... 6 2.4 天线的特性参量 ................................................................................................................... 8 2.5 功率分配器 ......................................................................................................................... 15 2.6 微带天线阵列 ..................................................................................................................... 17 2.6.1微带天线阵列的分类 ....................................................................................................... 17 2.6.2微带天线阵列的分析方法 ............................................................................................... 19 第三章 线极化微带天线阵列设计及仿真 ...................................................................................... 21

3.1 HFSS简介及仿真设计步骤 ................................................................................................ 21 3.2 天线阵列单元仿真 ............................................................................................................. 22 3.3 功分器仿真 ......................................................................................................................... 25 3.4 馈电网络仿真 ..................................................................................................................... 26 3.5 阵列天线仿真 ..................................................................................................................... 28 第四章 天线实物性能测试原理及结果 .......................................................................................... 33

4.1测试原理 .............................................................................................................................. 33 4.2测试结果 .............................................................................................................................. 34 第五章 结论 ...................................................................................................................................... 37 结束语 ................................................................................................................................................ 38 致谢 .................................................................................................................................................... 39 参考文献 ............................................................................................................................................ 40

1 线极化微带天线阵列的设计

第一章 绪论

1.1 微带天线的发展、研究背景及意义

早在上世纪中期，就有学者提出利用微带线的辐射来制成微带天线的概念。直到上世纪70年代，第一批实用微带天线才被研究者们制造出来，随后微带天线的应用在全球被广泛研究。直到上世纪末，在天线与传播会刊上刊登了微带天线专辑，微带天线才形成天线领域的一个分支。如今微带天线的研究理论已趋于成熟，在多个领域内大显身手。

与普通微波天线相比，微带天线有如下优、缺点[1]： 优点：

（1） 剖面薄、体积小、重量轻；

（2） 具有平面结构，可制成与导弹、卫星等载体表面相共形的结构； （3） 馈电网络可与天线结构一起制成，适用于印刷电路技术大批量生产； （4） 能与有源器件和电路集成；

（5） 便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能。 缺点：

（1） 频带窄；

（2） 有导体和介质损耗，导致辐射效率降低； （3） 功率容量小；

1.2 国内外研究现状

国内外研究热点主要在以下几个方面：宽带拓展、增益提高、小型化设计。而且研究方法及内容已趋于成熟，可以通过改变介质板物理性质、贴片形状以及和其他元件集成来达到以上目的，所以微带天线阵列被越来越多的领域使用，

第一章 绪论 2

国内外的学者们也对微带天线展开了更深入的研究。

全球四大卫星导航系统：中国的北斗、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO，这些卫星也离不开微带天线的应用。正是因为微带天线具有较大的增益和较强的抗干扰能力，在各种车载、弹载、舰载、机载、星载上同样得到了广泛的应用，在各国军方先进的相控阵雷达中也越来越多的被应用。在我们的日常通讯中，保证手机通讯信号的通信基站要求信号能够覆盖的范围大、增益高；在郊区、公路或偏远地区的天线基站，微带天线的使用都随处可见。

如今，微带天线发展的趋势是小型化，这就对微带天线的要求更高了。难点就是微带天线阵列越小，各个天线单元之间的间隔、距离就越小，导致了天线单元之间耦合增大，从而影响到了微带天线的性能。国内外学者研究的重点是：如何减小天线单元之间的耦合、减小天线单元与馈线之间的耦合。

在国内，微带天线阵列的研究相对较缓慢，但是依然在相关微带天线阵列技术进行了充分的研究，做出了很多改进，也取得了一定的突破。很多具有自主知识产权的天线也都被各个单位开发出来。

随着科技的发展，各个领域都离不开微带天线阵列的应用，其研究方法的拓展也在不断地深入，未来必将会得到更加广泛的应用。

1.3 论文主要内容及工作

本文以线极化微带天线阵列的设计为背景，以天线指标为要求，对天线进行了仿真和实物的加工测试，并给出了阵列天线相关的仿真结果和实测数据分析。在内容安排上：

第一章作为绪论介绍了微带天线的发展、研究意义、性能优缺点和国内外的研究现状。最后提到了此次设计所做的主要内容和工作。

第二章主要介绍了包括微带天线的结构、原理、馈电方式、特性参数、功

3 线极化微带天线阵列的设计

率分配器的分类和原理以及两种分析阵列天线的方法：传输线法和数值分析法。

第三章主要介绍了此次微带天线阵列的阵元设计，包括材料的选取，贴片长度等各个参数的计算；然后介绍了仿真所用的软件HFSS并对天线的各参数进行了设计，再对优化的结果进行仿真，最后得出满足设计要求的结果。

第四章主要对天线阵列进行实物的参数测量，将测量数据与仿真结果进行比对，分析误差原因。

第五章主要分析经过此次设计的结果，将指标要求、仿真结果、实测结果的各项参数进行对比。

第二章 微带天线及其阵列基本原理 4

第二章 微带天线及其阵列基本原理

2.1 微带天线的结构

介质基片上贴加导体薄片，且介质基片上有导体接地板，这样的天线就称作微带天线。馈电方式通常利用微带线或同轴线等馈电线馈电。射频电磁场在导体贴片与接地板之间形成，并通过接地板与贴片四周的缝隙向外辐射。一般将微带天线视为一种缝隙天线组成的阵列。通常，介质基片的厚度远远小于工作波长，即 。微带天线的剖面很低，是一类低剖面天线。

图2.1是微带天线的四种形式：

本文所用的就是图（a）微带贴片天线来构成的阵列。

图2.1 微带天线的四种形式

2.2 微带天线的基本原理

图2.1 微带贴片天线结构

5 线极化微带天线阵列的设计

图2.1是一个简单的微带贴片天线结构，由辐射元、介质层和参考地三部分组成，与天线性能相关的参数包括辐射元长度L、辐射元宽度W、介质层的厚度H（H 工作波长 ）、介质的相对介电常数 和损耗正切tan 、介质层的长度LG和宽度WG。

图2.2 矩形微带天线俯视图和侧视图

图2.2所示的微带贴片天线是采用微带线来馈电的，这就是本次设计的矩形微带贴片天线的馈电形式。对于矩形贴片微带天线，理论分析时通常以传输线模型来分析此天线的性能。矩形贴片微带天线的工作主模式是 模，贴片长度L为半波长 ，介质层厚度为H，贴片和基片之间就可以被视为半波长低阻抗传输线,微带天线的辐射是由贴片边缘与参考地之间的缝隙所引起的，通常将天线视为缝隙天线，并将辐射电场进行分解，分别为平行于参考地平面和垂直于参考地平面的分量，又因为贴片长L= ，垂直分量相反，相互抵消；平行分量同相，合分量叠

第二章 微带天线及其阵列基本原理 6

加并增强，即辐射场最强的方向垂直于参考地平面。

2.3 微带天线的馈电

微带线馈电所采用的是利用微带线与辐射贴片相连作为传输线进行馈电的。由于天线的馈线与贴片在相同的平面，制造时可以将馈线和贴片一起光刻，适合用于大量生产。微带线馈电也是有缺点的，馈线自身也会产生辐射，甚至会干扰到天线的方向图，产生旁瓣电平，而且一定程度上使天线的增益降低。设计时要求微带线线宽尽量窄且远小于工作波长。

微带天线馈电方式多种多样，其中微带线馈电、同轴线馈电和串、并联馈电是最常用的三种馈电方式。 1．微带线馈电（侧馈）：

利用微带线进行馈电时，馈线与微带贴片是在同一平面的，所以便于制作。但是馈线本身也存在辐射，会干扰天线的方向图、降低天线的增益，所以要求馈线不能过宽，且微带线线宽要远小于波长。微带线馈电也需要考虑到天线输入阻抗与特性阻抗的匹配。

常见的微带线馈电方法有三种：

（1）可以通过选择适当的馈电点的位置来实现； （2）通过改变微带贴片的宽度实现； （3）通过设计阻抗匹配器来实现。 2．同轴线馈电（背馈）：

同轴线馈电方式是将同轴插座安装在介质基片的接地板上，同轴线的内导体穿过介质基片连接到辐射贴片上。同轴线的馈电需要考虑到阻抗匹配。馈电位置与天线的输入阻抗是相关的，选择合适的馈电位置很重要，就是为了达到阻抗匹配的效果最佳。相较与微带线馈电，同轴线馈电由于馈电点位置可以是贴片上的

7 线极化微带天线阵列的设计

任何位置，而且由于没有微带线从而避免了对天线辐射特性的影响。为达到最佳的匹配效果通常会采用两种或者三种方式来进行阻抗匹配。研究发现若馈电点位置发生变化，那么贴片的输入阻抗随之一起发生变化。但是馈线与微带贴片之间具有耦合效应，我们可以通过对贴片尺寸稍加改变，再借助计算机软件找到最合适的尺寸使得天线谐振频率回到中心频率上。 3．串、并联馈电[3]：

串、并联馈电是指馈电结构的几何形状，而不是所等效的电路图。 串联馈电：

如图2.3所示为串联馈电结构，将各天线单元之间直接用微带线连接。

图2.3 串联馈电

它具有以下优点： （1） 传输效率高；

（2） 在馈线上的损耗小、馈线产生的辐射小； （3） 结构简单，空间利用率高，结构紧凑。

但是，在各个天线单元之间容易相互影响，最大的不足是由于串联结构中贴片的插入相位偏移造成了波束产生的固定偏移，在实际设计中可以通过调整阵列参数使产生的偏移变小，保持在低水平上。 并联馈电：

第二章 微带天线及其阵列基本原理 8

如图2.4所示为两种并联馈电结构。

图2.4 并联馈电

图（a）为非对称馈电方式，图（b）为对称馈电方式，并联馈电只有一个输入端，并且由多个输出端和馈线并联组成，每一个输出端接有单独的天线单元。 它具有以下优点：

（1）阵元与阵元之间互不干扰，相互独立；

（2）输入端口到各个阵元之间的馈线长度相等，能够保证激励相同； （3）在与其他微波器件集成时方便。

因此本文采用的是并联馈电结构对微带天线阵列进行馈电。

2.4 天线的特性参量

天线辐射特性主要取决于以下几个方面：阵元数目、激励相位、激励幅度和阵元的空间位置及分布情况。通过阵元的参数来求天线阵的辐射特性，此过程称作阵列的分析；相反，利用天线阵的辐射特性来构成这种天线阵的分布参数，此过程称作天线的综合。

无论天线的任何形式，都具有描述其电性能的基本参量。天线的特性参量包括：天线的方向特性、天线的极化特性、天线的阻抗特性、天线的频率特性、天线的有效接收面积等。

9 线极化微带天线阵列的设计

1．天线的方向特性 （1）方向函数

天线的远区电场E( )定义为天线的方向函数，其定义式为：

E( )= （2-1）

式中 的取值范围为 — ， 的取值范围为0—2 。 （2）方向图

天线的方向图是衡量天线性能的一个重要指标，又称辐射方向图，是指距离天线一定距离的辐射场相对场强随方向的变化而变化的图形，通常采用天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。辐射方向图主要包括主瓣宽度、旁瓣电平和前后比等。从天线的方向图可以直接看出天线在某一特定方向上的增益或辐射强度。 （3）方向图的参数

方向图中的重要参数有最大辐射方向、半功率波束宽度、旁瓣电平等。最大辐射方向是指天线辐射的最大方向，也称为主瓣，其他辐射方向称为副瓣、旁瓣、后辦；半功率点所围成的空间角度称为半功率波束宽度；半功率点是辐射方向图上辐射功率为最大辐射功率一半的点。如果波瓣的宽度越窄，天线的定向性就越好。

（4）方向系数D、增益G和天线效率 方向系数D：

定义：天线辐射远场区球面上的最大辐射功率 与辐射功率平均值之比。

第二章 微带天线及其阵列基本原理 10

D

（2-2）

=

式中

是归一化功率。

方向系数是描述天线聚焦能力强弱的重要参数，方向系数越大，天线辐射功率就越集中，方向性就越强。全向天线的方向系数D=1，其他任意天线方向系数D 1。 增益G：

天线的增益系数是指在相同的输入功率下，在某一距离和角度天线在最大辐射方向上某处辐射功率密度与无方向性天线在同一处辐射功率密度之比，也可以用效率 和方向系数D的乘积来表示,即：

G=计算天线增益的若干公式[4]：

对于一般天线，主瓣宽度越窄，增益越高，可用下式估算其增益：

= （2-4）

式中， 与 分别是天线在两个主平面上的波瓣宽度，32000是统计出来的经验数据。天线主瓣宽度越窄，增益越高。

对于抛物面天线，可用下式近似计算:

= (2-5)

或

G= D （2-3）

式中，D为抛物面直径， 为中心工作波长，4.5是统计出来的经验数据。

对于直立全向天线，可用下式近似计算：

11 线极化微带天线阵列的设计

= (2-6)

式中，L为天线长度， 为中心工作波长。

天线增益是一个衡量天线性能的重要参数，它表明了天线在最大辐射方向上比理想的无方向性天线把输入功率增大的倍数，天线的增益系数可以很好地表征天线对功率集中辐射的能力，它与天线的方向图有着密切的关系，我们需要尽量得到增益高的天线，增益G越大，方向图主瓣越窄，副瓣越小，天线在特定方向上的辐射效果就越好。 天线效率 ：

定义：辐射功率与输入功率之比，即：

（2-7）

式中 为辐射功率， 为输入功率，输入功率总是大于辐射功率。

方向系数D、增益G和天线效率 的关系为：

（2-8）

=1时，即辐射效率为 的天线。 2．天线的极化特性[5]

波的极化是指：在规定均匀平面波传播方向前提下，某一波振面上电场强度矢量的振动状态随时间变化的方式。

极化的几种方式：

第二章 微带天线及其阵列基本原理 12

图2.5 天线的极化特性

线极化：电场强度的矢端随时间t描出的轨迹是一条直线，又称为线极化波。如图2.5（a）、（b）所示，以地面为参考系，图（a）称为水平线极化，图（b）称为垂直线极化。

椭圆极化：电场强度的矢端随时间t描出的轨迹是椭圆，又称为椭圆极化波。如图2.5（c）、（d）所示。

圆极化：电场强度的矢端随时间t描出的轨迹是圆，又称为圆极化波，如图2.5（e）、（f）所示，圆极化是椭圆极化的特例。

若轨迹的旋转方向与波的传播方向符合右手螺旋法则，则称为右旋圆极化波，如图2.5（d）、（f）所示；反之则称为左旋圆极化波，如图2.5（c）、（e）所示。由于电磁波存在极化，且极化方式不同，具有极化特性的天线只能发射和接收与其对应相同极化方式的波，若波的极化方式和天线的极化方向不同，极化损失就会出现；若待接收波的方向与天线的极化方向完全正交时，天线就接收不到波的能量。

3．天线的阻抗特性

13 线极化微带天线阵列的设计

（1）辐射功率、辐射电阻和输入电阻：

辐射功率：天线向外辐射的功率，也可以等效为一天线的辐射电阻 ， 是由天线的辐射特性决定的。

输入电阻：若将天线视为传输线的终端负载，该负载则称为天线的输入电阻 。 若天线无耗则 = ，即辐射电阻等于输入电阻。若要求天线获得大的辐射效率就需要输入电阻 与天线馈线的特性阻抗相匹配，但是实际中天线本身就存在损耗，输入电阻总是大于辐射电阻，即 ，所以输入功率总是大于辐射功率， 。

（2）电压驻波比、反射系数、回波损耗和S11参数

传输线与天线不匹配的时候，就会同时产生入射波和反射波，在它们相位相同处，电压振幅相加达到最大，形成波腹电压 ，在它们相位相反处，电压振幅相减到达最小，形成波节电压 ，而其他各点则在波腹电压与波节电压之间。

驻波比 ：波腹电压与波节电压之比，即：

= （2-9）

反射系数 ：反射波电压 与入射波电压 之比，即：

= （2-10）

驻波比 和反射系数之间的关系：

= （2-11）

式中 为实数，其取值范围为1 。驻波比是用来评价传输线和负载不匹配的程度。 =1时，负载匹配，反之 = 时，完全反射；反射系数 越小， 越接近1，达到匹配的效果越好。

回波损耗（Return Loss）：反射系数绝对值的倒数，单位是dB。回波损耗值在

第二章 微带天线及其阵列基本原理 14

0dB到 之间时，越小则匹配越差，越大则匹配越好；若回波损耗值为0时，表示全反射，若回波损耗值为 时表示完全匹配。

S11参数：输入反射系数，输入端反射电压与入射电压之比。 回波损耗和S11参数都是表示阻抗匹配性能的参数，一般指标要求：S11 10dB。

回波损耗（RL）、反射系数（ ）、电压驻波比（ ）、S11之间的关系： RL=20lg(输入功率 反射功率)=-20lg( )、S11=20lg( )、RL= S11。 （3）有效长度

定义：天线的感应电压 与平行于天线方向的电场E的比值，即：

= （2-12）

若天线长度为 ，且 上电流均匀分布时，有效长度 实际长度。 是衡量天线辐射能力的重要指标。

（4）天线的有效接收面积（或天线的口径）

定义：天线接收电磁波的能力。

若天线接收电磁波方向与天线的最大接收方向一致时，有效面积 定义为：天线接收功率P与平面波功率S的比，定义式为：

= （2-13）

有效接收面积 的单位为 。 4．天线的频率特性

任何天线的工作都是在一定频率范围内进行的，天线的辐射特性、阻抗特性都与工作频率相关，若频率发生变化，那么天线的相关特性也会发生改变。天线的工作频率带宽是要求天线能够在工作特性指标允许的条件下满足天线性能的频

15 线极化微带天线阵列的设计

率带宽。

设 为天线的最高工作带宽， 为最低工作带宽。对于窄带，采用以 中心的工作频率，表示相对带宽，

来表示频带宽度；对于宽带，采用绝对带宽： 来表示频带宽度。驻波比也可以用来描述工作频带宽度。一般情况下，若频率范围在天线的工作频带宽度内，那么驻波比 1.5。

2．5 功率分配器

功率分配器：将一路输入信号能量分成几路或多路输出信号能量的器件，这也就是功率分配器的作用。常用的功分器有T形功分器和wilkinson功分器。功率分配器输入能量的功率需要按照一定的比例进行分配，而且要将各输出端口之间进行隔离、输入输出端口要进行匹配。功率分配器可以分为等分型和比例型两种类型。

图2.6是功率分配器的示意图：

图2.6 功率分配器示意图

此功率分配器是三个端口的电路结构，其输出端口之间的相移为0，而且这种端口是可逆的，它既可以以功率分配的形式工作，又能以功率合成的形式应用。信号输入端的输入功率为P1，另外两个输出端输出功率为P2、P3，若为理想情况：①输入端口P1无反射；②输出端口P2、P3电压相等且同相；③P2与P3的功率比值为任意值 ，根据能量守恒则有P1=P2+P3。

第二章 微带天线及其阵列基本原理 16

图2.7功率分配器结构图

根据图2.7功率分配器的结构图和在理想情况下的条件可得：

由传输线理论有：

（2-15）

（2-14）

设 ，则 、 、 经计算得：

（2-16）

当 =1时，即为等功率分配器，各参数值为： 、 。

通常会在Port2和Port3之间增加一个电阻r 2 ，起隔离作用，用来提高隔离度。隔离电阻r：

r 或r （2-17）

当功分器在非理想情况下工作时，中心频率就有可能会发生偏移，驻波比和隔离度都会变差，频带也会变窄。

17 线极化微带天线阵列的设计

2.6 微带天线阵列

微带天线阵列是将多个辐射单元按一定的规律排列，组成天线阵，得到增强或者特定的方向性。微带天线单元的增益一般只有6-8dB，将若干个相同的微带天线按照一定方式排列成直线或者平面结构，但要求组成天线阵的阵元结构和排列取向相同，这样的排列目的是为了获得更大增益、实现特定的方向性要求。直线阵是最简单的排列方式，其馈电结构一般采用串馈或并馈。

2.6.1微带天线阵列的分类

天线阵的分类多种多样，可以按照以下几种不同的分类类型进行分类。 1.按阵元单元排列形式可分为线阵和面阵。

最常用的一种排列方式是线阵，也叫做均匀直线阵。它是使各阵元单元的中心依次等距排列在一条线上的线阵。若排列方式为直线，就称为直线阵。若各单元的中心依次等间距地排列在一条曲线上，例如均匀地排列在圆周上，也是线阵；同样的，若很多个线阵按照一定间隔有规律地排列在某个平面上，就构成了平面阵；若各单元中心排列在某个球面上，则构成了球面阵，所以阵元排列方式也可以在三维平面进行。

将均匀直线阵进行分析：

图2.8 均匀直线阵原理图

第二章 微带天线及其阵列基本原理 18

图2.8所示就是一个N阵元均匀直线阵的原理图，0—N-1表示N个阵元，按照相同形式排列成一条直线，且相位沿直线x轴均匀递增的电流馈电，这里要求每个阵元在结构形式与排列方式相同，天线阵方向图函数为元因子与阵因子的乘积，故需要考虑的是阵因子与因子关系式 和相邻阵元之间相位差 如何建立联系，由原理图分析可得阵列在H面（XOY）内的归一化阵因子关系式为：

式中

（2-19）

上式为一几何级数的多项式，可求得和为：

（2-20）

（2-18）

这样上式就构成了均匀直线阵列天线的归一化因子表达式。根据需要得到的天线平面方向与最大电场辐射的关系又可以将均匀直线阵分为两大类：边射阵和端射阵。

边射阵：得到的辐射电场的最大值方向在垂直于天线平面的方向，各个阵元的辐射场在垂直天线平面方向同相叠加，此时阵元的电流同相，即 ，此时有：

（2-21）

由上式可知当 时， ，阵元在该方向上产生场的同相叠加。如果阵元的最大辐射方向也在该方向叠加，那么直线阵的最大辐射方向必然也是在此方向上。

端射阵：与边射阵正好相反，得到的辐射电场最大方向在阵元排列的直线方向，此时 ，且 。对 进行物理意义分析：此时各个阵元的电流相位存在一个角度的滞后，且滞后角度在数值上等于阵元间距在 方向上的相位差 。当 时，两相邻阵元产生的辐射场在 方向上引起的相位差为 ，与阵元自身的电流相位 相互抵消，使得阵元在 方向上产生的辐射场同相叠加到最大值。

19 线极化微带天线阵列的设计

2.按照天线在功能上的区别，可以将天线阵划分为同相水平天线、频率扫描天线、相控阵天线、多波束天线、信号处理天线、自适应天线等。

由于单个微带天线的增益通常都比较低，而且波束比较宽，方向性差,所以单个使用的效果不好。阵列天线各个阵元单元辐射电磁场是组成天线阵的辐射电磁场的矢量和，且各阵元单元之间的位置、馈电电流振幅和相位等可以独立调整，我们可以通过调整阵元的距离和相位，使其方向图在同一个方向有最大辐射，那么阵元的矢量叠加使得天线阵具有单向辐射的功能。所以将微带天线组成微带阵列天线，可以很好解决这些缺点，从而让天线的性能在实际应用能够中达到更高的要求。

2.6.2微带天线阵列的分析方法

对天线周围空间的电磁场进行理论分析可以得到与微带天线相关的一些性能参数，比如天线的增益、输入阻抗、回波损耗和方向图等。目前对天线的分析方法有：传输线法、腔模理论、多端口网络模型、数值分析法等。分析方法的正确选择可以对天线的一些性能参数进行预先的估算处理从而提高天线的设计效率。 以下是常用的几种分析微带天线方法： 1.传输线法

传输线法是一种简单又比较常用的分析方法。它的基本思想是将矩形微带天线的两个开路端等效为两个缝隙，利用传输线理论求出缝隙上的切线电场，用等效原理求出缝隙的面磁流密度，从而得到单个缝隙的输入阻抗和辐射场。微带天线的辐射场从两个缝隙组成的二元阵求得，输入阻抗由等效传输线计算得出。

传输线模型理论分析方法计算量少，方法简单，其物理模型可让我们更好、更直观地进行理解。但是有利也有弊：传输线法只适用于矩形微带天线，对其他形状或形式的天线不适用。由于传输线法是一维上的分析模型，所以在考虑馈电点沿传输线宽度变化时的输出阻抗时不准确。(分析时改变馈电点位置输出阻抗不变,但是在实际实验中发现，输出阻抗与馈电点在微带贴片的位置有关)。

第二章 微带天线及其阵列基本原理 20

2.数值分析法

与传输线法的基于假设条件不同，数值分析法是对工作波段中的具体数值进行理论计算分析。由所设计天线给出的边界条件列出场源特性分布的积分方程，再解方程得到源分布特性，再由一系列的积分方程的解来确定总场。需要说明的是，与传输线法的简单模型分析比较,数值分析法是一种精确求解的分析方法。在数值分析过程中积分方程的求解和计算相当复杂，一般需要借助相关的计算机工具来完成，现在用来计算求解这些场分布特性的计算机辅助软件有多种，使用这些软件大大提高了分析的效率和精确度。数值分析法主要可以分为矩量法(MOM)、时域差分法(FDTD)和有限元法(MEW)。 3.腔模理论

在微带谐振腔分析的基础上便发展出了腔模理论。它的基本思想是将微带天线看做是上下以电壁、四周以磁壁为界的介质腔体。基本分析方法是先根据谐振腔理论建立腔内电磁场方程，导出腔内场的固有函数一般表达式，利用边界条件和激励条件，求解腔的内场，从而得到腔体“口面场”，最后由“口面场”计算微带天线的远区场。微带天线本身就具有剖面低的特点，因此腔模理论适用于大多数的微带天线。

21 线极化微带天线阵列的设计

第三章 线极化微带天线阵列设计及仿真

本章利用Ansoft HFSS18.0优化设计了一款5.8GHz阵列天线，对天线进行深入细致的研究，并给出了阵列天线相关的仿真结果和数据分析。

阵列天线设计指标要求如下： （1）频段：工作频段为5.725-5.85GHz； （2）驻波比（VSWR）≤1.8； （3）增益：≥13dB； （4）极化方式：线极化； （5）输入阻抗：50Ω。

3.1 HFSS简介及仿真设计步骤

HFSS[6]（High Frequency Structure Simulator）是Ansoft公司推出的全波三维电磁仿真软件，是世界上公认的首选工具和分析行业标准，并且被广泛的用于电子、半导体、计算机、航空、航天、通信等诸多领域。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、圆极化场分量等，帮助工程师高效快速地设计各种微波、高频无源器件。 使用HFSS可以计算：

1.基本电磁场数值解、开边界问题、近远场辐射问题； 2.端口特征阻抗和传输线常数；

3.S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；

第三章 线极化微带天线阵列设计及仿真 22

4.结构的本征模或谐振解。

HFSS提供了快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节，从电路到系统，甚至是部件级。借助软件，能够大大提高天线的设计效率，能很好地提高天线性能，减少设计误差，使我们能够更好更方便的理解和分析天线。

以下是利用HFSS对天线进行仿真的步骤： (1) 设置求解类型； (2) 创建天线的结构模型； (3) 设置边界条件； (4) 设置激励方式； (5) 设置扫频分析参数； (6) 运行分析仿真； (7) 查看运行结果；

(8) 优化设计，对天线参数达不到设计要求的相关机构或者尺寸进行调整、优化，得到符合设计要求的天线性能。

本次设计采用的是HFSS 18.0版本。

微带天线阵列设计方案是：阵元数选择为6个单元，馈电网络选择为3个一分二功分器和1个一分三功分器进行级联，最终产生等幅同相位的激励信号。

3.2 天线阵列单元仿真

首先确定介质基板材料为Roger RT/duroid 5880(tm), 相对介电常数为2.2，介质损耗为0.0009，厚度h为1.6mm。天线阵列单元设计过程如下：

23 线极化微带天线阵列的设计

1.计算微带贴片的尺寸：

微带天线贴片宽度w可由以下公式计算得出

w= （3-1）

式中 表示光速， 表示中心频率。

一般取贴片长度为 ， 为介质体内部的导波波长为：

（3-2）

式中的 是有效介电常数，由介质的相对介电常数 和介质基片厚度与贴片宽度w的比值共同决定，其关系式为：

（3-3）

实际中应考虑贴片的边缘缩短效应，所以实际微带贴片的长度应为： L= （3-4）

式中Δ 表示的是等效辐射缝隙长度，由 和贴片宽度w与基片厚度h的比值决定，关系式如下：

（3-5）

由于f=5.8GHz, 2.2，h=1.6mm，根据以上公式可以求得w=20.5mm， =2.18， =0.817mm，L=16.5mm。

表3.1 微带天线阵元设计基本参数表 工作频率

5.8GHz 第三章 线极化微带天线阵列设计及仿真 24

介质基片材料 介质基片厚度h 辐射贴片宽w 辐射贴片长L 2.馈电与阻抗匹配：

Roger RT/duroid 5880(tm) 1.6mm 20.5mm 16.5mm 选择最常用也是结构最简单的微带线馈电的方式，馈电点位于贴片边缘位置 的中心。馈线是50Ω的微带线，利用微带线计算工具，输入介质基片的介电常数、厚度、贴片的厚度、工作频率，可计算出50Ω微带线的宽度。

一般情况下微带天线的边缘阻抗为100Ω—400Ω，要与50Ω的微带馈线匹配，就需要在微带天线与馈线之间设计一个阻抗变换器，通常是一个长度为 波长的阻抗转换器。假设馈电点位置的输出阻抗为 ， 波长阻抗转换器的阻抗为 ，则阻抗匹配的条件为：

= （3-6）

式中 =50Ω， 与馈电点贴片边缘的距离有关，可根据相关公式求得。

微带天线单元的仿真模型如图3.1所示，天线单元的辐射贴片的尺寸约为0.5λ，首先设置天线辐射贴片的宽度为变量，并对辐射贴片的尺寸进行优化，图3.2给出了不同尺寸下，天线的S11随着频率的变化曲线，由图3.2可以看出，微带天线的长度约为16.5mm时，天线工作的中心频率约为5.8GHz。

图3.1 阵列天线单元仿真

25 线极化微带天线阵列的设计

图3.2天线的S11随频率变化曲线

图3.3和图3.4分别是阵列天线单元的3D辐射方向图和平面辐射方向图，由图可以看出，天线在5.8GHz 频点附近处的增益为8dB。

图3.3 3D辐射方向图 图3.4 平面辐射方向图

3.3 功分器仿真

为了将阵列天线单元进行组阵设计，需要设计功分馈电网络，首先设计一个中心频率为5.8GHz的一分二的等功率分配的T形功分器，然后根据阵列数将功分器进行级联。

第三章 线极化微带天线阵列设计及仿真 26

图3.5 一分二功分器仿真模型

一分二功分器的输出结果如图3.6所示，由图可以看出，功分器在频段4.58GHz-6.85GHz频段范围内S11 -20dB，匹配效果良好，S12，S13相等且约为-3.16dB，功率相等。

图3.6 一分二功分器仿真结果

3.4 馈电网络仿真

图3.7为馈电网络的初始仿真模型，只考虑网络的阻抗匹配的情况，没有考虑各个输出端口的相位情况，图3.8给出了馈电网络S参数，由图可以看出，馈电网络的匹配较优，在频段5.6GHZ-6GHz范围内，S11 -25, S12， S13， S14， S15， S16， S17，近似相等约为-8.25dB。

27 线极化微带天线阵列的设计

图3.7 馈电网络的初始仿真模型

图3.8馈电网络S参数

为了获得阵列天线的最大功率，要使得功分馈电网络的输出端为等幅同相，因此对馈电网络的相位做了优化，如图3.9所示，由图可以看出，本文在馈电网络的中间段加了相位延长线，并对线长做了优化，最终各个输出端口的相位优化结果如图3.10，可以看出，在5.8GHz附近处，各个输出端口的相位近似相等。

图3.9 馈电网络的仿真模型

第三章 线极化微带天线阵列设计及仿真 28

图3.10 馈电网络各输出端的相位曲线

3.5 阵列天线仿真

将功分网络和阵列天线级联，并进行阵列天线仿真，阵列天线的仿真模型如图3.11所示，图3.12和图3.13分别给出了阵列天线仿真的S11和VSWR随频率变化的曲线图，

图3.11 阵列天线的仿真模型

图3.12给出了阵列天线仿真的S11 随频率的变化曲线图，由图可以看出，阵列天线在5.73GHz-5.88GHz频段范围内S11小于-10，该频段在设计要求频段范围内。

29 线极化微带天线阵列的设计

图3.12 阵列天线S11随频率变化曲线图

图3.13是阵列天线VSWR随频率的变化曲线如图，在5.74GHz-5.87GHz频段范围内VSWR小于1.8，基本符合设计要求。

图3.13 阵列天线仿真的VSWR

图3.14为中心工作频段5.8GHz处，阵列天线的3维和2维仿真的辐射方向图，阵列天线在5.8GHz频点附近处的增益约为14.5dB。

第三章 线极化微带天线阵列设计及仿真 30

图3.14 阵列天线3维和2维辐射方向图

由图3.14可以看出红色线所在面的方向图最大方向偏离Z轴，需要继续进行优化。造成最大方向偏离Z轴的原因是由于馈电网络的馈线产生了辐射所造成的，为了尽量减少馈线对天线产生的辐射，使用的优化方法是通过改变馈线的线长，使馈线上产生的辐射相互抵消，来达到改变方向图的最大辐射方向，优化结果如图3.15。

图3.15 馈电网络优化结果

各输出端口的相位结果如图3.16：

31 线极化微带天线阵列的设计

图3.16馈电网络个端口输出相位

由图3.16可以看出，在5.8GHz附近各输出端口相位相等，基本没有相位差。将优化过的功分网络和阵列天线级联并进行阵列天线的仿真，阵列天线的仿真模型如图3.17。

图3.17阵列天线优化仿真模型

下面给出了优化后的阵列天线仿真的S11随频率的变化曲线图，由图3.18可以看出，阵列天线在5.7GHz-5.95GHz频段范围内S11小于-10，该频段在设计要求范围内。

图3.18 阵列天线仿真的S11随频率的变化曲线图

VSWR随频率的变化曲线如图3.19，在5.78GHz-5.85GHz频段范围内VSWR小于1.8，频段在设计要求内，符合设计要求。

第三章 线极化微带天线阵列设计及仿真 32

图3.19 VSWR随频率的变化曲线图

图3.20分别为中心工作频段5.8GHz处，阵列天线的3维和2维仿真的辐射方向图，由图可以看出红色线所在面的方向图最大方向在Z轴上，结果得到优化改善。

图3.20优化后阵列天线3维和2维辐射方向图

33 线极化微带天线阵列的设计

第四章 天线实物性能测试原理及结果

在完成了天线阵列仿真并达到要求后，对天线进行了加工制作。实物如图4.1。并对天线实物的相关参数在微波暗室内进行了测试，主要测试指标有：天线的方向图、增益和电压驻波比。

图4.1 阵列天线实物图

4.1测试原理

微波暗室是测试天线辐射性能的地方，之所以要在微波暗室内进行测试的原因是：微波暗室内的材料结构都是能够吸收电磁波的，当电磁波发射到地面或墙壁时都被吸波材料吸收了，基本不发生反射、透射，这样能为被测天线提供一个良好的电磁环境。

微波暗室的结构组成包括：屏蔽室、吸波材料、信号传输板、转台和被测试天线等。天线测试结构示意图如图4.2：

图4.2 天线测试结构示意图

第四章 天线实物性能测试原理及结果 34

测试原理如下：被测天线由驱动器驱动天线架旋转，将各个方向接收到的信号记录下来，即可得到被测天线的各个方向的辐射幅度，再对数据进行处理，就可得到天线辐射的方向图和增益

4.2测试结果

如图4.3在微波暗室内，将天线放置在转台上，连接电缆通电，使天线开始工作，另一端是作为接收端的标准增益喇叭天线。

图4.3 微波暗室内放置的测试天线和喇叭天线

增益测试结果：

利用标准增益喇叭天线对天线的增益采用比较法进行了测量，天线的增益可根据下式进行计算：

（4-1）

式中 为待测天线增益、 为待测天线电平、 为标准天线电平、 为标准天线增益（频率5.8GHz，增益21.68dB）.

表4.1 增益测试相关参数

频率 待测天线电平 51.95 标准天线电平 44.07 标准天线增益 21.68 被测天线增益 13.8 5.8GHz 根据测试数据可以计算出被测天线增益 约为13.8dB，满足了增益大于13dB的参数指标。

35 线极化微带天线阵列的设计

天线在频率5.8GHz处各个测试面直角坐标系和极坐标系方向图如下： 将天线如图4.4放置，测试结果如图。

图4.4 测试图

图4.5极坐标系方向图

由测试图4.5可知：最大辐射方向为0 、3dB波束宽度为14.59 。 将天线如图放置，测试结果如图：

第四章 天线实物性能测试原理及结果 36

图4.6 测试图

图4.7极坐标系方向图

由测试图4.7可知：最大辐射方向为0 、3dB波束宽度为101.12 。 在微波暗室内，利用矢量网络分析仪ME7838E对阵列天线的端口电压驻波比进行了测试，测试结果如图4.9所示。

图4.9 驻波比与频率的关系

由图可以看出，在5.725~5.85GHz频段范围内，电压驻波比ρ<1.8，与仿真结果吻合且满足设计指标要求。

37 线极化微带天线阵列的设计

第五章 结论

将设计要求、仿真结果、测试结果进行比较如下表：

表5.1 设计要求、仿真结果、测试结果比较

性能比较 设计要求 仿真结果 5.725—5.85GHz 线极化 测试结果 5.725—5.85GHz 线极化 工作频率 5.725—5.85GHz 极化方式 方向图 线极化 - 驻波比 增益 输出阻抗 ≤1.8 ≥13dB 50Ω 在频率范围内≤1.8 14.1dB 50Ω 在频率范围内≤1.8 13.8dB 50Ω 由表可见测试结果在要求频率范围内的方向图、驻波比、增益、输出阻抗与仿真结果基本吻合，该设计的阵列天线各项参数指标均达到设计要求。

结束语 38

结束语

微带天线的应用越来越广泛，也越来越重要。微带天线具有重量轻、体积小、剖面薄、易共面、便于集成的特点，人们的生产生活离不开它，在军事领域方面也占有绝对重要的地位。

本文首先对微带天线结构原理和天线的重要指标参数的进行了介绍，然后在设计指标要求下，对天线单元贴片尺寸进行计算，并与功分器、馈电网络相结合进行仿真运行，从方向图的仿真结果看出最大辐射方向不在Z轴，故又对馈电网络的馈线进行修改，最终满足天线的性能指标要求。最后在微波暗室内，对天线实物性能进行测试，分析比较了仿真结果与测试结果。

通过此次毕业设计，积累了很多宝贵知识经验，前期的理论分析，对天线的仿真修改，达到设计要求，最终通过加工得到实物。体会到了从理论到实际的差距，对自己发现问题、分析问题解、决问题的能力也有很大的提升！

39 致 谢

致谢

衷心地感谢我的毕业设计指导老师程春霞老师，我的毕业设计工作和论文的具体写作都离不开她的悉心指导。毕业设计选题确定后，程老师立即布置设计任务和计划，让我能够充分利用假期时间对设计任务、设计要求熟悉分析并确定设计方案，在假期期间就基本完成了所设计天线的仿真。后期对于仿真结果的不足，程老师更是仔细耐心地指导我进行了修改，最终达到了设计的指标要求。程老师理论知识渊博，有着丰富的工作经验，力求完美、一丝不苟的精神值得我们学习！ 衷心地感谢空间院老师，一直以来严格督促我，从开题报告、中期答辩、都给予我无私的指导！帮助我发现问题，完善不足之处。

衷心地感谢选培办领导，能够让我们合理规划自己的时间，在圆满完成毕业设计前提下让我们科学训练，通过毕业体能考核。

最后衷心地感谢各位老师抽出宝贵的时间审查我的论文！

参考文献 40

参考文献

[1]钟时顺.《微带天线理论与应用》.西安：西安电子科技大学出版社，1991 [2]候甲.微带平面阵列天线的设计.西安电子科技大学硕士论文.2014 [3]候甲.微带平面阵列天线的设计.西安电子科技大学硕士论文.2014 [4]骆驼.天线增益的计算公式.2018

[5]范寿康、李进、胡蓉等.《微波技术、微波电路及天线》.2008. [6]李明洋.《HFSS电磁仿真设计应用详解》，人民邮电出版社，2010.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2irp.html