基于毫米波微帶天線設計的射頻電路實驗（二）

2． 3 天線陣列設計

1) 天線形式確定

上式中，λ 0 為中心頻率處的真空波長; f x 和 σ x為波束展寬因子; d 為輻射單元間距; N 為輻射單元數，α m 為最大輻射方向與平面陣元之間的夾角。為滿足單元副瓣抑制條件，單元間距 d 必須小于波長λ 0 ，適當縮小單元間距可以更好實現陣列天線的小型化，相應的會增大波束角，所以單元間距 d 選擇 6mm。根據天線指標 E 面半功率波束角小于 30 度，算得 N 需要大于 3． 52。結合仿真所得的單個貼片單元的幅度方向圖增益和天線指標增益要求，輻射單元數至少有 4 個。綜合考慮這兩點，可選擇 4 元輻射單元。

此外，為抑制副瓣，輻射單元的饋電幅度采用泰勒加權的方式。根據天線指標副瓣電平小于 － 18dB，為保留設計余量，將副瓣電平 SLL 設為 － 20dB，算得泰勒權值為 I 1 : I 2 等于 1: 0． 6339。

2) 饋電網絡設計

陣列天線示意圖如圖 4( a) 所示，根據該示意圖可以畫出右邊兩個輻射單元和饋電網絡的等效電路，如圖 4( b) 所示，其中 Y 0 為輻射單元輸入導納，Z c0 為微帶線特性阻抗，Z c1 和 Z c2 為 90°電長度阻抗變換器的特性阻抗，Y 2 ’和 Y 2 為節點處輸入導納，I 1和 I 2 為兩個輻射單元的電流幅度。

圖 4 天線陣示意圖

3) 陣列天線仿真按照圖 4( a) 的天線示意圖進行建模，得到陣列天線三維模型如圖 5 所示。

圖 5 天線陣 HFSS 模型

輸入端口仿真結果如圖 6 所示，在中心頻率24． 125 GHz 的 S 11 參數為 － 34． 46 dB，駐波比為 1．04; 在24 GHz 和24． 25 GHz 頻點上的駐波比分別為1． 24 和 1． 22，滿足設計要求。

圖 6 天線陣輸入端口仿真結果

圖 7 天線陣方向圖仿真結果

天線在 24． 125 GHz 上的方向圖仿真結果如圖7 所示，增益為12． 12 dBi，E 面副瓣電平優化后達到－18． 35 dB，E 面 － 3dB 波束寬度為 27°，H 面 － 3dB 波束寬度為 68°，滿足設計要求。

2． 4 天線加工與測試

天線仿真完畢后，用 AD09 軟件制作 PCB 工程文件，即可加工制版，學生設計完成的一個天線實物如圖 8 所示。輸入端口采用 2． 92 mm 的射頻接頭，探針直徑為 0． 3 mm。

圖 8 天線實物

測試包括天線駐波比測試和方向圖測試兩部分。其中，駐波比測試是利用矢量網絡分析儀完成，天線方向圖測試，需要在微波暗室內進行，成本較高而且耗時很長，因此測試時應選擇個別仿真和反射系數結果較好的天線進行測試。

圖 8 對應的學生設計出來的天線端口測試結果見表 1 和圖 9，從圖中可見在工作頻率范圍內，天線輸入駐波比均在 1． 5 以下，滿足要求。

表 1 高度計天線輸入端口測試結果

圖 9 天線駐波比 S 11 參數實測結果

該天線實測方向圖如圖 10 所示，在 24． 125GHz 處，E 面 － 3 dB 波束角為 28°，副瓣電平為 －18． 94 dB; H 面 －3 dB 波束角為 65°，達到了設計要求。

圖 10 天線實測幅度方向圖

3 結語

在教育部當前開展新工科研究與實踐的背景下，我們開展了射頻電路設計創新實驗項目的探索，開發了用于無人機高度測量的毫米波雷達天線的設計實驗項目。該實驗緊跟學科領域發展前沿，內容涵蓋的知識點多，將微波技術、射頻電路和天線原理等方面的知識有機融合，通過一個完整而又系統的設計過程，模擬解決實際工程問題的研發步驟，讓學生獲得更多的探索體驗，具有很好的應用價值。目前該設計已通過畢業設計和大學生科研等形式試運行，學生反映良好，收到不錯效果，下一步將考慮以一個綜合實驗項目或者課程設計的方式引入本科實驗教學。（參考文獻略）