一种微带相控阵天线的设计与仿真
基于微带阵列的天线设计与仿真
Ｇ ａｇｈｕＧ ａｇｏｇ５０ ４ ，Ｃ ｉａ ｕｎｚｏ ｕｎｄｎ ６ １ ｈ ） １ ｎ
ＡＢＳ ＴＲＡＣＴ：ｎ ｏ ｄ ｒ ｏｒ ａ ｈ ｔ ｅｈ ｇ ａｎ ｐ ｒ ｒ ｎ ｅ ｅ ｇ ｎ ｒ ｌ ｓ ｅ ａ ｒｙ ａ ｔｎ ａ ｕ ｈ ａ ｉ ｏ ａ ｔ Ｉ ｒ ｅ ｅ ｃ ｉｈ ｇ ｉ ｅｆ ｍａ ｃ ，ｗ ｅ ｅａ ｙｕ ｅ ｔ ｒａ ｎｅ ｎ ．Ｂ ｔ ｅｔ ｄ ｔ ｎ ｌａ － ｔ ｈ ｏ ｌ ｈ ｔ ｒ ｉ ｒｙ ａ ｔ ｎ ａ ｃ ｎ ｏ ｅ ｉｈ ｒｇ ｉ ｆ ｒｏ ｔ ｚ ｔ ｎ ａ ｄ ｔｅ ｂ ｎ ｗ ｄ ｈ ｉ ｎ ｒｏ ｎ ｅ ｓｚ ｏ ｒ ｅ ｈｓ ｐ — ａ ｎ ｅ ｎ ａ ｎ ｔｇ ｔａｈ ｇ ｅ ａ ｎ ａｔ ｐ ｉ ａｉ ｈ ａ ｄ ｉ ｔ ｓ ａ ｒｗ ａ ｄ ｔ ｉｅ ｉ ｔｏ ｌ ｇ ．Ｔ ｉ ａ ｅ ｍｉ ｏ ｎ ｈ ｓ ａ
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一种ka频段相控阵天线
一种ka频段相控阵天线近年来，随着通信技术的不断发展，相控阵天线作为一种重要的天线技术，被广泛应用于卫星通信、雷达、无线通信等领域。
在这些应用中，ka频段相控阵天线因其高频率、高速率和高带宽等特点，成为了研究的热点之一。
本文将介绍一种ka频段相控阵天线的设计和实现。
一、ka频段相控阵天线的基本原理相控阵天线是一种由多个天线单元组成的天线阵列，通过控制每个天线单元的相位和振幅，实现对天线阵列的辐射方向和波束宽度的控制。
ka频段相控阵天线的工作频率在26.5GHz至40GHz之间，具有高频率、高速率和高带宽等特点，因此在卫星通信、雷达、无线通信等领域有着广泛的应用。
二、ka频段相控阵天线的设计和实现本文设计的ka频段相控阵天线由16个天线单元组成，每个天线单元由一个微带天线和一个相位调节器组成。
微带天线采用圆形贴片天线，具有小尺寸、低成本、易制造等优点。
相位调节器采用PIN二极管，通过改变二极管的偏置电压，实现对天线单元的相位控制。
在实现相控阵的过程中，需要对每个天线单元的相位进行精确的控制。
为了实现这一目标，本文采用了一种基于DSP的相位控制方法。
具体来说，通过DSP芯片对每个天线单元的相位进行数字控制，实现对天线阵列的辐射方向和波束宽度的控制。
三、ka频段相控阵天线的性能测试为了验证本文设计的ka频段相控阵天线的性能，我们进行了一系列的实验。
实验结果表明，本文设计的相控阵天线具有较好的辐射特性和波束宽度控制能力。
在26.5GHz至40GHz的频段内，天线阵列的增益达到了20dB以上，波束宽度可控制在2度以内。
四、结论本文介绍了一种ka频段相控阵天线的设计和实现。
通过采用微带天线和PIN二极管相位调节器，实现了对天线阵列的相位控制。
同时，通过基于DSP的相位控制方法，实现了对天线阵列的辐射方向和波束宽度的精确控制。
实验结果表明，本文设计的相控阵天线具有较好的性能和应用前景。
相控阵天线的平台布局仿真设计
相控阵天线的平台布局仿真设计Simulation and Design of the phased arrayantenna placement王真刘志惠(南京电子技术研究所南京210039)摘要: 随着相控阵天线技术的发展，天线设计工程师除了进行相控阵天线自身性能的详细设计以外，还更多地关注相控阵天线在载体平台上的布局设计，因为这样的载体平台布局设计才决定了相控阵天线最终可实现的性能特性，而非实验室的理论性能。
相控阵天线与平台的一体化仿真也越来越借助FEKO等高频电磁仿真软件，本文从具体实例出发，论述了利用FEKO软件对相控阵天线的平台布局进行仿真优化设计。
关键词: 相控阵天线平台布局FEKOAbstract:Along with the development of the phased array antenna technology, phased array antenna design engineers in addition to their own performance of detailed design, also pay more attention to the platform layout of the phased array antenna, because it determines the performance characteristics which the phased array antenna can realize, not the theoretical performance of laboratory. The platform layout simulation of phased array antenna is becoming more and more with the help of a high frequency electromagnetic simulation software FEKO, etc, starting from the concrete examples, this paper discusses the platform layout of phased array antenna simulation optimization design by using FEKO.Key words:phased array antenna，platform layout，FEKO1 概述随着相控阵天线技术的发展，天线设计工程师除了进行相控阵天线自身性能的详细设计以外，还更多地关注相控阵天线在载体平台上的布局设计，因为这样的载体平台布局设计才决定了相控阵天线最终可实现的性能特性，而非实验室的理论性能。
一种SKa双频段共形相控阵天线仿真设计
·14 ·测控与通信2011年第4期一种S/Ka双频段共形相控阵天线仿真设计崔伊萍尹鹏飞（中国电子科技集团公司第39研究所西安710065）摘要论述相控阵天线的设计原理和思路，介绍了波导缝隙天线和微带贴片天线的设计思想，以及在空间比较小的要求下如何共形布阵同时满足结构和电器的要求。
HFSS 仿真结果表明该S/Ka双频段相控阵天线性能指标优良。
关键词共形相控阵天线波导缝隙天线微带贴片天线S/Ka双频段Design and Simulation of S/Ka Dual-band ConformalPhased Array AntennaCui Yiping, Yin Pengfei(No.39 Research Institute of CETC, Xi’an 710065, China)Abstract：This paper briefly discusses the phased array antenna design principles and ideas, and describes the design ideas of the waveguide slot antenna and microstrip antenna.HFSS simulation results show excellent performance of the S/Ka dual-band conformal array antenna.Key words：conformal, phased array antenna, waveguide slot antenna, microstrip antenna, S/Ka dual-band0 引言天线是1种发射和接收电磁波的装置。
一般情况下，由单个辐射器构成的天线就可以完成发射和接收电磁波的任务。
但在一些特殊的应用中，往往要求具有很大的方向性和很高的增益，有时还要求波瓣可以扫描且有一定的形状等等。
一种微带相控阵天线设计
第４８卷第３期(总第１８９期)２０１９年９月火控雷达技术ＦｉｒｅＣｏｎｔｒｏｌＲａｄａｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ ４８Ｎｏ ３(Ｓｅｒｉｅｓ１８９)Ｓｅｐ ２０１９天天馈馈线线伺伺服服系系统统收稿日期:２０１９０３０６作者简介:孙姣(１９８８－)ꎬ女ꎬ工程师ꎮ研究方向为雷达天线设计与分析技术ꎮ一种微带相控阵天线设计孙㊀姣１㊀蒋延生２㊀张安学２(１.驻西安地区第六军事代表室㊀西安㊀７１００４３ꎻ２.西安交通大学㊀西安㊀７１００４９)摘㊀要:低截获技术的应用大大提高了雷达的生存能力和作战能力ꎮ本文根据低截获雷达要求ꎬ按照天线综合方法ꎬ设计了一款满足指标要求的相控阵天线ꎮ首先ꎬ依据指标极化形式㊁单元间距㊁扫描范围和扫描增益的要求选取双层微带天线作为辐射单元并进行了理论设计和仿真ꎻ然后ꎬ利用ＨＦＳＳ仿真软件仿真设计了并馈双层微带天线和天线子阵ꎬ通过仿真发现电压驻波比和方向图满足设计要求ꎻ最后ꎬ加工了一个辐射单元试验小阵ꎬ测试互耦ꎬ计算其扫描电压驻波比和阵中单元方向图ꎬ性能优良ꎬ验证了天线设计的正确性ꎮ关键词:天线综合ꎻ双层微带ꎻ相控阵天线中图分类号:ＴＮ９５７.５１㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００８－８６５２(２０１９)０３－０７６－０６引用格式:孙姣ꎬ蒋延生ꎬ张安学.一种微带相控阵天线设计[Ｊ].火控雷达技术ꎬ２０１９ꎬ４８(３):７６－８２.ＤＯＩ:１０.１９４７２/ｊ.ｃｎｋｉ.１００８－８６５２.２０１９.０３.０１４ＴｈｅＩｎｖｅｎｔｉｏｎＲｅｌａｔｅｓｔｏＡＭｉｃｒｏｓｔｒｉｐＰｈａｓｅｄＡｒｒａｙＡｎｔｅｎｎａＤｅｓｉｇｎＳＵＮＪｉａｏ１ꎬＪＩＡＮＧＹａｎｓｈｅｎｇ２ꎬＺＨＡＮＧＡｎｘｕｅ２(１.ＴｈｅＳｉｘｔｈＭｉｌｉｔａｒｙＲｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅＯｆｆｉｃｅｉｎＸｉ ａｎꎬＸｉ ａｎ７１００２１ꎻ２.Ｘｉ ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＸｉ ａｎ７１００４９)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｌｏｗｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｏｆｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ(ＬＰＩ)ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｓｕｒｖｉｖａｂｉｌｉｔｙａｎｄｃｏｍｂａｔｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆｒａｄａｒ.ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆａｎｔｅｎｎａｓｙｎｔｈｅｓｉｓꎬａｐｈａｓｅｄａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆＬＰＩｒａｄａｒ.Ｆｉｒｓｔｌｙꎬｔｈｅｄｏｕｂｌｅ￣ｌａｙｅｒｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐａｎｔｅｎｎａｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎｅｌｅｍｅｎｔａｃ￣ｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｍꎬｔｈｅｕｎｉｔｓｐａｃｉｎｇꎬｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｒａｎｇｅａｎｄｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｇａｉｎꎬａｎｄｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ.Ｔｈｅｎꎬｔｈｅｄｏｕｂｌｅ￣ｌａｙｅｒｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐａｎｔｅｎｎａａｎｄａｎｔｅｎｎａａｒｒａｙａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｆｅｄｂｙＨＦＳＳｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ.ＴｈｅＶＳＷＲａｎｄｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍａｒｅｆｏｕｎｄｔｏｍｅｅｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｔｈｒｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ.Ｆｉｎａｌｌｙꎬａｓｍａｌｌｒａｄｉａｔｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｔｅｓｔａｒｒａｙｉｓｐｒｏｃｅｓｓｅｄｔｏｔｅｓｔｔｈｅｍｕｔｕａｌｃｏｕｐｌｉｎｇꎬａｎｄｉｔｓｓｃａｎｎｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｓｔａｎｄｉｎｇｗａｖｅｒａｔｉｏａｎｄｔｈｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｉｎｔｈｅａｒ￣ｒａｙａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ.Ｔｈｅｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｖｅｒｉｆｉｅｓｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅａｎｔｅｎｎａｄｅｓｉｇｎ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ａｎｔｅｎｎａｓｙｎｔｈｅｓｉｓꎻｄｏｕｂｌｅ￣ｌａｙｅｒｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐꎻｐｈａｓｅｄ￣ａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａ０㊀引言雷达不被敌方各种截获接收机截获ꎬ就可以避免被侦察㊁被干扰和被反辐射导弹攻击ꎬ这就促使了低截获概率(ＬＰＩ)雷达的产生[１]ꎮ低截获概率的实质ꎬ就是雷达的最大作用距离大于敌方侦查接收机的最大探测距离ꎬ即雷达保证在探测到目标的同时ꎬ使得敌方接收机截获到雷达信号的概率最小化ꎮＬＰＩ技术的应用大大提高了雷达的生存能力和作战能力[２]ꎮ天线作为雷达系统的重要部件之一ꎬ直接影响第３期孙姣等:一种微带相控阵天线设计着雷达性能的好坏和成本的高低ꎮ在近几十年当中ꎬ随着航空㊁航天技术的飞速发展ꎬ雷达天线也在突飞猛进地发展ꎬ经历了从传统的抛物面天线㊁卡塞格伦天线到波导型阵列天线的逐步过渡ꎮ然而ꎬ由于传统雷达天线主要基于机械扫描技术ꎬ存在着诸多缺点ꎬ如重量体积大㊁扫描速度慢㊁灵活性差等ꎮ相控阵技术的出现使雷达技术得到了更进一步的发展ꎮ它具有灵活性好㊁稳定性高㊁波束扫描速度快等诸多优点ꎮ通过控制各个阵元的相位ꎬ能够实现波束快速扫描ꎬ并且能够根据环境的不同自适应调节波束的指向ꎬ极大提高了雷达的性能[３]ꎮ本文结合实际天线指标要求介绍了相控阵天线综合ꎮ依据宽带宽角扫描辐射单元的要求ꎬ提出了天线单元的设计方法ꎬ设计了一种并馈双层微带天线线阵ꎬ将线阵组成天线子阵ꎬ利用ＨＦＳＳ软件仿真了该形式的天线子阵ꎬ加工了天线子阵ꎬ并进行了外场测试ꎬ对设计方法进行了验证ꎮ１㊀方案设计天线的总设计思想为:采用脉冲和二维接收ＤＢＦ工作体制ꎬ控制电路和微波电路均高度集成ꎬ减少天线内部各单元之间的线缆连接ꎬ提高天线的可靠性和维修性ꎮ天线由天线阵面㊁高集成信号传输网络㊁信号处理㊁频综和本振㊁供电及散热设备等组成ꎮ天线的电原理见图１ꎮ图１㊀雷达天线电原理图２㊀天线综合相控阵天线综合的方法有傅里叶级数法[４]㊁谢昆诺夫法[５]㊁切比雪夫综合法[６]和泰勒[７]线源综合法等ꎮ本文主要根据泰勒线源综合法进行天线综合设计ꎬ确定天线各个参数ꎮ根据扫描范围的指标要求ꎬ考虑到天线组件的模块化设计㊁天线阵面结构布局的可行性以及接收天线阵面的对称性要求ꎬ天线阵面采用矩形栅格形式ꎮ雷达天线的阵面布局图见图２ꎮ图２㊀雷达天线的阵面布局图方位面采用相扫的方式实现－４０ʎ~＋４０ʎ的空域覆盖要求ꎮ方位面单元间距ｄｘ应满足:ｄｘɤλ１＋ｓｉｎθ＝１０.３ｍｍꎬ方位面单元间距ｄｘ取９.９ｍｍꎬ为了满足方位和俯仰面８ʎ宽发ꎬ２个５ʎ同时窄收的工作体制要求ꎬ俯仰面单元间距也取为９.９ｍｍꎮ发射阵面为矩形布局方式ꎬ天线方位包含４个子阵ꎬ俯仰包含４个子阵ꎬ共１６个发射子阵ꎬ工作状态时ꎬ发射Ｔ组件每通道均工作在饱和放大状态ꎬ发射天线为均匀加权ꎬ发射天线中心频率方向图见图３㊁图４ꎮ图３㊀天线发态方向图７７火控雷达技术第４８卷图４㊀天线发态方向图㊀㊀为了满足雷达指标的要求ꎬ同时兼顾数据处理和本振功分的问题ꎬ接收阵面采用子阵式ＤＢＦ工作体制ꎬ近似圆形布局方式ꎬ天线方位包含８个子阵ꎬ俯仰包含８个子阵ꎬ全阵共５２个子阵ꎮ接收天线采用同时波束的方法实现方位和俯仰差波束ꎬ接收天线中心频率方向图见图５和图６ꎮ图５㊀天线收态和差方向图图６㊀天线收态和差方向图３ 仿真设计高性能辐射单元是相控阵天线的核心元件ꎬ其决定了相控阵天线的扫描性能ꎮ微带天线因具有体积小㊁重量轻㊁剖面低㊁馈电方式灵活㊁价格便宜㊁易与导弹㊁飞行器共形等特点在工程上具有良好的应用背景ꎮ本文采用矩形微带天线作为阵列天线的阵元ꎮ微带天线工作的频率为ｆ０ꎬ矩形贴片的长宽分别为Ｌ和Ｗꎬ所采用的介质板厚度为ｈꎬ介电常数为εｒꎬ则可通过经验公式粗略的求出矩形贴片的长宽ꎬ再通过仿真软件进行优化ꎬ这样可以大幅度地节省天线的设计时间ꎮ综合考虑ꎬ选择ＲＯ４３５０板材ꎬεｒ为３.６６ꎬ板材厚度ｈ为０.５０８ｍｍꎮ根据上述经验公式计算出微带单元的初始尺寸为Ｌ＝４.４９８ｍｍ㊁Ｗ＝５.８８ｍｍꎮ利用ＨＦＳＳ软件对所设计的单元天线建模ꎬ并对其进行了仿真ꎬ模型如图７所示ꎮ图７㊀单层微带天线仿真模型图经仿真发现ꎬ单层微带天线的频带比较窄ꎮ为了展宽频带ꎬ我们采用双层微带天线ꎬ天线带宽可达１２％ꎮ双层微带天线仿真模型图见图８ꎮ图９和图１０为双层微带辐射单元电压驻波比和增益仿真结果ꎮ图８㊀双层微带天线仿真模型图８７第３期孙姣等:一种微带相控阵天线设计图９㊀双层微带辐射单元电压驻波比仿真结果图１０㊀双层微带辐射单元增益仿真结果㊀㊀对微带天线单元进行组阵时ꎬ单元是通过馈电网络连接的ꎮ微带阵列天线的馈电方式有并联馈电和串联馈电ꎬ通过对比串联馈电和并联馈电的优缺点以及依据仿真结果和实际应用的需求综合考虑ꎬ最终本文选择并联馈电网络组成的阵列天线ꎮ为避免功分网络对辐射单元性能的影响ꎬ功分网络采用一分三并行功分的形式ꎬ与辐射单元位于不同的电路层ꎬ功分器和辐射单元之间通过同轴馈电连接ꎬ实现了辐射单元和馈电网络的物理隔离ꎬ并且通过加载电感钉的匹配方式ꎬ消除了功分网络的谐振现象ꎬ展宽了微带线阵的带宽ꎬ线阵辐射单元之间通过周期性的电感钉形成高阻表面ꎬ消除了单元之间的互耦ꎬ提高了单个天线单元的增益ꎮ并馈仿真模型见图１１ꎬ图１２为并馈双层微带辐射单元中心频率方向图仿真结果ꎬ图１３为并馈双层微带辐射单元电压驻波比仿真结果ꎮ图１１㊀并馈双层微带辐射单元图１２㊀并馈双层微带辐射单元方向图图１３㊀并馈双层微带辐射单元电压驻波比该项目称为子阵式ＤＢＦ天线ꎬ根据指标的要求ꎬ三个线阵组成一个子阵ꎬ子阵结构图形见图１４ꎬ每个线阵通过波珠接插件与一路ＴＲ组件或者Ｒ组件焊接ꎬ即每个子阵包含３路ＴＲ组件或者Ｒ组件ꎬ子阵通过ｓｍｐ和Ｊ３０等盲插结构与高集成的信号传输网络连接ꎬ在仿真设计时考虑固定螺钉对子阵性能的影响ꎮ子阵仿真模型图见图１５ꎮ子阵电压驻波比仿真结果见图１６ꎬ子阵方向图仿真结果见图１７ꎮ通过仿真发现ꎬ子阵三个端口的驻波在频带范围内电压驻波比小于２ꎻ子阵方向图具有较好的对称性ꎮ图１４㊀子阵结构图形９７火控雷达技术第４８卷图１５㊀子阵仿真模型图１６㊀子阵电压驻波比图１７㊀子阵方向图(ｆ０)４ 实验验证加工一子阵进行子阵电压驻波比㊁有源单元反射系数(转换成有源单元电压驻波比)及有源单元方向图的测试ꎮ子阵的实物图见图１８ꎬ用一块金属铝板代替瓦片式ＴＲ组件ꎬ将型号为ＳＭＰ￣ＪＦＤ６Ａ射频接插件焊接到微带天线板上ꎬ微带天线板和金属铝板用导电胶固定ꎮ图１８㊀子阵实物图利用网络分析仪进行子阵电压驻波比测试ꎬ测试中间馈电口的电压驻波比ꎬ两边的馈电口接匹配负载ꎬ测试场景和测试结果见图１９ꎮ图１９㊀子阵电压驻波比的测试有源单元反射系数(转换为有源单元电压驻波比)的测试结果见图２０ꎮ０８第３期孙姣等:一种微带相控阵天线设计图２０㊀有源单元电压驻波比㊀㊀在微波暗室进行子阵有源单元方向图测试ꎬ测试中间端口的有源单元方向图ꎬ其余的端口接匹配负载ꎬ测试场景见图２１ꎬ测试结果见图２２至图２４ꎬ由于二维转台俯仰转动范围有限ꎬ因此ꎬ子阵方向图测试结果俯仰面只能测试ʃ３０ʎ内的方向图ꎮ实验结果表明:１)该形式微带天线为线极化ꎬ功率容量满足项目要求ꎬ且体积小ꎬ可以满足在阵面上所占面积足够小的要求ꎬ增加了高次模的截止深度ꎬ减少了高次模的场对频率的敏感度及在总辐射场中所占的比例ꎬ展宽了辐射带的带宽ꎮ图２１㊀子阵测试场景图２２㊀子阵方向图测试结果(ｆ０－１０００ＭＨｚ)图２３㊀子阵方向图测试结果(ｆ０)图２４㊀子阵方向图测试结果(ｆ０＋１０００ＭＨｚ)㊀㊀２)该形式微带辐射单元具有良好的端口匹配特性ꎮ子阵电压驻波比仿真与实物测试结果一致ꎬ有源单元电压驻波比的仿真结果与实际测试结果也基本可比拟ꎮ３)该形式微带辐射单元具有良好的辐射特性ꎮ有源单元方向图的仿真结果和实际测试结果一致ꎬ波束宽度均为:Ｈ面波束宽度大于９０ʎꎬＥ面波束宽度大于２５ʎꎮ该形式微带辐射单元剖面低ꎬ重量轻㊁成本低适合大型相控阵天线使用ꎮ１８火控雷达技术第４８卷５ 结束语本文在总结研究背景的基础上对微带相控阵天线进行了研究ꎬ从方案设计出发ꎬ在仿真软件中设计所需的仿真模型ꎬ优化仿真后所得的结果可以满足预先设定的技术指标ꎬ完成了子阵加工制作以及电气性能测试ꎬ测试结果达到了预期目标ꎬ对设计方法进行了验证ꎮ参考文献:[１]㊀曾高强.有源相控阵雷达低截获概率波形研究[Ｄ].成都:电子科技大学ꎬ２０１１.[２]㊀刘琼.低截获概率雷达技术及性能评估方法研究[Ｄ].西安:西安电子科技大学ꎬ２０１５.[３]㊀樊星.相控阵列天线综合宽角度扫描[Ｄ].成都:电子科技大学ꎬ２０１６.[４]㊀ＳＩＬＶＥＲＳ.ＭｉｃｒｏｗａｖｅＡｎｔｅｎｎａＴｈｅｏｒｙａｎｄＤｅ￣ｓｉｇｎ[Ｍ].ＭＩＴꎬＲａｄ.Ｌａｂ.ꎬ１９７９.[５]㊀ＳＣＨＥＬＫＵＮＯＶＳＡ.ＡＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＴｈｅｏｒｙｏｆＬｉｎｅａｒＡｒｒａｙｓ[Ｊ]ＢｅｌｌＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｉｃａｌＪｏｕｒ￣ｎａｌꎬ１９４３:８０￣１０７.[６]㊀ＤＯＬＰＨＣＬ.ＡＣｕｒｒｅｎｔＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｏｒＢｒｏａｄ￣ｓｉｄｅＡｒｒａｙｓＷｈｉｃｈＯｐｔｉｍｉｚｅｓｔｈｅＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐＢｅｔｗｅｅｎＢｅａｍｗｉｄｔｈａｎｄＳｉｄｅｌｏｂｅＬｅｖｅｌ[Ｊ].Ｐｒｏｃ.ＩＲＥꎬＶｏｌ.３４ꎬ１９４６ꎬ３５(６):３３５￣３４５. [７]㊀ＴＡＹＬＯＲＴＴ.ＤｅｓｉｇｎｏｆＬｉｎｅＳｏｕｒｃｅＡｎｔｅｎｎａｓｆｏｒＮａｒｒｏｗＢｅａｍｗｉｄｔｈａｎｄＬｏｗＳｉｄｅｌｏｂｅｓ[Ｊ].ＢｅｌｌＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｉｃａｌＪｏｕｒｎａｌꎬ１９６８ꎬ４７:６２３￣６４０.(上接第７５页)[６]㊀ＴＵＩＮＳＴＲＡＴＲ.ＲａｎｇｅａｎｄＶｅｌｏｃｉｔｙＤｉｓａｍｂｉｇ￣ｕａｔｉｏｎｉｎＭｅｄｉｕｍＰＲＦＲａｄａｒｗｉｔｈｔｈｅＤＢＳＣＡＮＣｌｕｓｔｅｒｉｎｇＡｌｇｏｒｉｔｈｍ[Ｃ].ＩＥＥＥＮａｔｉｏｎａｌＡｅｒｏ￣ｓｐａｃｅａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＯｈｉｏＩｎ￣ｎｏｖａｔｉｏｎＳｕｍｍｉｔꎬ２０１６:３９６￣４００.[７]㊀ＡＨＮＳꎬＬＥＥＨꎬＪＵＮＧＢＷ.ＭｅｄｉｕｍＰＲＦＳｅｔＳｅｌｅｃｔｉｏｎｆｏｒＰｕｌｓｅｄＤｏｐｐｌｅｒＲａｄａｒｓＵｓｉｎｇＳｉｍ￣ｕｌａｔｅｄＡｎｎｅａｌｉｎｇ[Ｃ].ＩＥＥＥＲａｄａｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅꎬ２０１１:０９０￣０９４.[８]㊀连晓锋ꎬ汤子跃ꎬ朱振波ꎬ汪先超ꎬ席秋实ꎬ乔宁.机载相控阵ＰＤ雷达的ＭＰＲＦ设计与选择[Ｊ].现代防御技术ꎬ２０１６ꎬ４４(４):１２９￣１３５. [９]㊀ＨＵＧＨＥＳＥＪꎬＡＬＡＢＡＳＴＥＲＣＭ.ＭｅｄｉｕｍＰＲＦＲａｄａｒＰＲＦＯｐｔｉｍｉｓａｔｉｏｎＵｓｉｎｇＥｖｏｌｕｔｉｏｎ￣ａｒｙＡｌｇｏｒｉｔｈｍｓ[Ｃ].ＩＥＥＥＲａｄａｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅꎬ２０１３:１９２￣１９７.[１０]㊀ＸＩＡＸＧ.ＤｏｐｐｌｅｒＡｍｂｉｇｕｉｔｙＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＵｓｉｎｇＯｐｔｉｍａｌＭｕｌｔｉｐｌｅＰｕｌｓｅＲｅｐｅｔｉｔｉｏｎＦｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓ.Ａｅｒｏｓｐ.Ｅｌｅｃｔｒｏｎ.Ｓｙｓｔ.ꎬ１９９９(３５):３７１￣３７９.[１１]㊀马杰ꎬ王永良ꎬ谢文冲.机载预警雷达ＭＰＲＦ优化方法研究[Ｊ].空军预警学院学报ꎬ２０１８ꎬ３２(５):３３１￣３３６.[１２]㊀ＫＩＮＧＨＯＲＮＡＭꎬＷＩＬＬＩＡＭＳＮＫ.ＴｈｅＤｅｃｏｄ￣ａｂｉｌｉｔｙｏｆＭｕｌｔｉｐｌｅ￣ＰＲＦＲａｄａｒＷａｖｅｆｏｒｍｓ[Ｃ].ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＲａｄａｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅꎬ１９９７. [１３]㊀ＡＬＡＢＡＳＴＥＲＣ.ＰｕｌｓｅＤｏｐｐｌｅｒＲａｄａｒ:Ｐｒｉｎｃｉ￣ｐｌｅｓꎬＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ[Ｍ].ＮＣ:ＳｃｉＴｅｃｈＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇꎬ２０１２.[１４]㊀ＨＵＧＨＥＳＥＪꎬＡＬＡＢＡＳＴＥＲＣＭ.ＮｏｖｅｌＰＲＦＳｃｈｅｄｕｌｅｓｆｏｒＭｅｄｉｕｍＰＲＦＲａｄａｒ[Ｃ].Ｉｎｔｅｒ￣ｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＲａｄａｒꎬ２００３.２８。
一种毫米波低副瓣微带天线阵列的设计与仿真
Ａｂｓ ｔ ｒ ａｃ ｔ ：Ｔｏ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｓ ｉ ｄｅ － ｌ ｏ ｂ ｅ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｆ ａ ｍｉ ｌ ｌ ｉ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｗａ ｖ ｅ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｉ ｐ ａ ｎ ｔ ｅ ｎ ｎａ ａ ｒ ｒ ａ ｙ，ａ ｋｉ ｎ ｄ ｏ ｆ ｃ ｏ ｎｅ ｒ ｒ ｆ ｅ ｅ ｄｉ ｎｇ ｓ ｑ ｕａ ｒ ｅ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｉ ｐ ａ ｎ ｔ ｅ ｎ ｎ ａ ｗａ ｓ
阻 抗 变 换 段 与传 输 线 之 间 存 在 不 连 续 而 导 致 阻抗 失 配 和 设 计 频 率 偏 移 这 一 突 出 问 题 的 基 础 上 ， 确 定 了馈 线 与 输入阻抗 、 谐 振 频 率 的关 系 ， 利用 Ｈ Ｆ Ｓ Ｓ 软 件优 化 馈 线 和 阻 抗 变 换 段 的 宽度 ， 实 现 了阻 抗 匹 配 和 天 线 谐 振 频 率 的 调 整 。仿 真 表 明 ， 设 计 的 ６×１ ０元 谐 振 式 角 馈 方 形 微 带 阵 列 是 一 种 低 造 价 、 实 用 性 强 的 低 副 瓣 电 平 毫 米 波
ａ ｎ ｄ ｉ ｍｐ ｅ ｄ ａ ｎ ｃ ｅ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ｗａ ｓ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ｅ ｄ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ＨＦ Ｓ Ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ． Ａｔ ｌ ａ ｓ ｔ ，ｉ ｍｐ ｅ ｄ ａ ｎ ｃ ｅ ｍａ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ ｗａ ｓ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｔ ￣ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｗａ ｓ ａ ｄ ｊ ｕ ｓ —
基于ADS的微带天线的设计与仿真
基于ADS的微带天线的设计与仿真前言平面倒F天线(PIFA,Planar Inverted F Antenna)主要应用在手机终端中，由于其体积小、重量轻、成本低、性能好，符合当前无线终端对天线的要求，因而得到广泛的应用，进行了许多研究工作。
先进设计系统(Advanced Design System)，简称ADS，是安捷伦科技有限公司(Agilent)为适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款EDA软件。
软件迅速成为工业设计领域EDA软件的佼佼者，因其强大的功能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能力（尤其在射频微波领域），而得到了广大IC设计工作者的支持。
ADS可以模拟整个信号通路，完成从电路到系统的各级仿真。
它把广泛的经过验证的射频、混合信号和电磁设计工具集成到一个灵活的环境中，包括从原理图到PCB 板图的各级仿真，当任何一级仿真结果不理想时，都可以回到原理图中重新进行优化，并进行再次仿真，直到仿真结果满意为止，保证了实际电路与仿真电路的一致性。
本设计通过ADS软件对微带天线进行设计，设计了平面倒F天线，即PIFA天线的设计以及利用Hilbert分型结构对天线小型化设计。
论文主要包括：PIFA天线的介绍，ADS软件的使用，PIFA天线的设计以及仿真，优化及结果分析等内容。
论文结构安排如下：第一章绪论；第二章FIFA天线原理及介绍；第三章ADS软件的使用；第四章PIFA天线的设计；第五章仿真优化及结果分析。
第一章介绍了本设计要解决的问题，提出了用ADS软件设计PIFA天线。
第二章详细介绍了PIFA天线的工作原理和Hilbert分型结构的原理。
第三章介绍本次设计主要用到的ADS 相关的功能。
第四章详细的介绍了设计的全过程。
第五章就仿真结果及进一步优化做了详尽的分析。
由于水平有限，设计难免存在漏洞和缺陷，欢迎批评指正。
摘要平面倒F天线(PIFA,Planar Inverted F Antenna)是一种常用的平面天线，平面倒F天线具有体积小，重量轻，低剖面，结构简单，易于加工制作等优点，因此被广泛应用于移动电话等移动通信终端设备上。
一种平面微带阵列天线的仿真与分析
第2期
李思敏等:一种平面微带阵列天线的仿真与分析
91
[3] 曹诞.K 波段微带阵列天线研究[D].西安:西安电子科 技大学,2014:12-21.
[4] MENDHEPJ,SAGIS K,MAHAJAN M B.Design anddevelopmentof24×24 Microstriparrayantenna usinghybridfeednetworkapproachatKu-band[C]// IEEEIndianConferenceonAntennasandPropogation. Piscataway,NJ:IEEE Press,2018:1-4.
εr、厚度h 和天线的中心频率f0 后,贴片天线的宽 度为
W
=2cf0
εr+1 2
-12
,
其中,c=3×108 m/s。
(3)
设λe 为介质内波长
λe= c , f εe
其中,εe 为有效介电常数,可表示为 εe=εr2+1+εr2-11+10Wh , -12
(4) (5)
第2期
李思敏等:一种平面微带阵列天线的仿真与分析
益为7.3dB。H 面半功率波束宽度为76.3°,副瓣为 -16.3dB;E 面半功率波束宽度为66.6°,副瓣为21.2 dB。
图5 微带单元仿真模型
2.3 微带阵列天线的仿真与分析 在确定了天线单元的参数并设计好馈电网络后,
表1 天线最终尺寸
mm 将两者相结合就构成了微带阵列天线[8-15],天线阵列
LISimin1,2,CAIMingming1
(1.SchoolofInformationandCommunication,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China; 2.SchoolofElectricalandInformationEngineering,GuangxiUniversityofScienceandTechnology,Liuzhou545006,China)
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Ａｎ ｌ ｓｓ ａ ｄ Ｓ ｍ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｅ Ｍ ｉ ｒ ｓ ｒ ｐ Ｐｈ ｓ ｄ Ａｒ ａ ｔ ｎ ａ ａ ｙ ｉ ｎ ｉ ｌ ｔｏ ｆ Ｔｈ ｃ ｏ ｔ ｉ ａ ｅ ｒ ｙ Ａｎ ｅ ｎ
ＺＨ ＡＮ Ｇ ｅ ｂ ｎ Ｘｕ — ｉ ｇ ， Ｘ Ｕ ｎ Ｙａ ， Ｗ ＡＮ Ｇ ｎ ｌ ｉ Ｔｉ ｇ— ｅ
射 功率 大 ， 作 可 靠 性 提 高 ， 故 障 弱 化 的 优 工 有
收 日期 ｌ０ １ Ｏ 一 Ｏ ２１一 ４ １
１ 相 控 阵 天线 类 型与 特 点
相控阵天线有多种类型， 频率扫描天线阵、 光
控 相 控 阵 、 波束 有 限 相 扫 相 控 阵 、 多 电扫 相 控 阵
Байду номын сангаас
等 。频 扫阵列 天线 应用 改变 发射 机频率 而达 到波
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｐｒ ｓ ｎｔ ｈｅ ｖａ ａ ｓ ｏｆ ｏ ｅ ｋｉ ｓ ｏ ｈｅ ｐｈ ｓ ｄ ａ ｒ ｙ ａ ｅ ｓ ｒ ｃ ： ｅ ｅ ｓ ｔ ｎｔ ｇｅ ｓ ｍ ｎｄ ｆ ｔ ａ ｅ ｒ ａ ｎｔ ｎｎａ Ｔｈｅ ａ ｒ ｙ ． ｒａ ｐａ ｔ ｒ ｓ ｏ ｉｆ ｒ ｎ ｌｍ ｅ ｓｗｉｈ Ｒｅ ｔ ｎ ｌ ｒＬａ ｔｃ ｎｄ Ｔｒａ ｇｕ ａ ｔｉ ｅａ ｅ ｃ ｌ ｕ ａ ｅ ｔ ｅ ｎ ｆｄ ｆｅ ｅ ｔｅ ｅ ｎｔ ｔ ｃ ａ ｇｕ ａ ｔ ｉｅａ ｉ ｎ ｌ ｒＬａ ｔｃ ｒ ａ ｃ ｌ ｔ ｄ． Ａ ｎ ｆｍ ｉｒ ｔ ｉ ａ ｅ ｒ ａ ｎ ｅ ｎａ ｉ ｅ ｉ ｅ ｋｉ ｄ ｏ ｃ ｏｓ ｒｐ ｐｈ ｓ ｄ ａ ｒ ｙ ａ ｔ ｎ ｓｄ ｓｇｎ ｄ，ａ ｈｅｒ ｄｉｔｏ ｌ ｎａ ｒ ａ ｓ ｓｍｕ— ｎｄ ｔ ａ ａ ｉ ｎ ｐ ａ ｒａ ｒ ｙ ｉ ｉ ｌｔ ｄ ｗｉｈ ＨＦＳＳ．Ｔｈｅ ｒ ａ ｏ ｂ ｅ ａ ｒ ｅ ｎ ｅ ｗｅ ｎ ｔ ｏ ｅ ｉａｌｅ ａ ｕ ｔｏｎ ａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｉ ａｅ ｔ ｅ ｓ ｎａ ｌ ｇ ｅ ｍｅ ｔ ｂ ｔ ｅ ｈｅ ｒ ｔｃ ｖ ｌ ａ ｉ ｎｄ ｓｍ ｌ ｔｏ Ｓ
采 用光 学技 术控 制 阵元相 位 ， 实现波 束 扫描 ； 多波
（ ）天线单 元 按矩形 排列 １ 设 ｄ 、 分 别 为 ｚ、 ｄ Ｙ方 向的单 元 间 距 ， ｄ、 ｄ 应满 足式 （ ） １：
＝ ＝＝
束 相控 阵 即“ 相 控 阵” 采 用 固定 波 束形 成 网络 准 ， 和简单 开关 网络 （ 固定 波 束 位 置 之 间选 择 ）构 在 成 典 型的 同时多 波束 天 线 （ Ａ） 透镜 馈 电 与矩 ＭＢ ， 阵馈 电是无 源波 束形 成 网络 的两种 馈 电形式 。 ］ 电扫 相控 阵天线 是利 用 波束控 制 系统控 制 阵 列 中各 个 辐射单 元 之 间 的相 位 差 ， 得 天线 波 束 使 在空 间有 规律 扫描 。典 型 的电扫相 控 阵 的基 本组 成大致 有 三部分 ： 射 阵列 、 相单 元 、 电网络 。 辐 移 馈 电扫相 控 阵天线 体 制分类 及 特点 ， 如表 １ 示 。 所
势Ⅲ 。 目前 ， 国内相 控 阵 技 术 已经 逐 渐 应 用 于 各
０ 引 言
相 控阵 天线是 以阵元 群体 的贡献 来 实现对 波
种 战 术雷 达 ， 着 固态微 波组件 的成 本逐 渐降低 ， 随
相 控 阵天线 技术 的应 用将 得到更 快 的发展 。
束 形成 、 分合 、 向 的控制 ， 指 与其 它天 线相 比， 有 具 非 常突 出 的优势 ： 波束 可控 性极 强 ， 系统反 应速 度 快 ， 有 同时 多 波束 能 力 ， 具 干扰 模式 灵 活 ， 效 辐 有
张 学斌 徐 琰 汪 霆 雷。 ， ，
（ ． 军驻上 海地 区航 天 系统军 事代 表室 ； ． １海 ２ 上海 无线 电设 备所 ， 海 ２ ０ ９ ） 上 ０ ０ ０
摘 要 ： 绍 了几种 不 同类型 相控 阵天 线 的特 点 ， 过 阵 列 方 向 图的理 论 计 算 来分 析 不 介 通
同单元数 阵 列性 能和 不 同排 列方 式 阵列性 能的 比较 ， 设计 了一 种微 带相 控 阵 天线 ， 用 ＨＦ Ｓ 采 Ｓ 软件 对 阵面进 行仿 真 ， 真 结果 与理论 计 算结果 较 吻合 。 仿
关键 词 ： 相控 阵天线 ；矩 形排 列 ；三 角形排 列 ；微 带天 线
中图分类 号 ：Ｔ ２ ． Ｎ８ １ ８ 文献标 识码 ： Ａ
（ ． Ｔｈ ａ ｙ ｏ ｉ ｔ ｒ ｐ ｅ ｅ ｔ ｔｖ ｆｃ ｎ Ｓ １ ｅ Ｎ ｖ ｆ ｌ ａ ｙ Ｒｅ ｒ ｓ ｎ ａ ｉ ｅ Ｏｆｉｅ ｉ ＡＳ ； Ｍ ｉ Ｔ ２ ．Ｓ ａ ｇ ａ ｄ ｏ Ｅｑ ｉ ｍ ｅ ｔＲｅ ｅ ｒ ｈ Ｉ ｓ ｉｕ ｅ ｈ ｎ ｈ ｉ ０ ０ ０，Ｃｈ ｎ ） ｈｎ ｈｉ Ｒａ ｉ ｕ ｐ ｎ ｓ ａ ｃ ｎ ｔｔ ｔ ，Ｓ ａ ｇ ａ ０ ９ ２ ｉａ
作者筒 介 ｔ 张学斌（ ９ ８ ， 工程 师， １ ７ 一） 男， 主要从 事无 线电技
术的研究 。
束 扫 描 的 目的 ， 当频率 改 变 时 ， 相位 差 改 变 ， 天线 阵的波 瓣指 向改 变 ， 即波瓣 进行 扫描 ； 光控相 控 阵
制 导 与 引 信
第 ３ 卷 ２
第３卷 ２
第 ２期
制 导 与 引 信
ＧＵＩ ＤＡＮＣＥ ＆ Ｆ ＵＺＥ
Ｖｏ ． ２ ＮＯ ２ １３ ．
２１ ０ １年 ６月
Ｊ ｎ ２ １ ｕ．Ｏ１
文 章 编 号 ：６ １０ ７ （ ０ １ ０ —０ ３０ １ ７ —５ ６ ２ １ ） ２０ ４ —７
一
种 微 带 相 控 阵天 线 的设计 与仿 真
ａ ｑ ｒ ｄ． ｃ ｕｉｅ
Ｋｅ ｒ ： ｐｈ ｓ ｄ ｒ ａ ａ ｔ ｎｎ ｙ ｗｏ ｄｓ ａ ｅ ａ ｒ ｙ ｎ ｅ ａ； ｒ ｃ ａ ｇｕｌｒ ａ ｔｃ ｅｔｎ ａ ｌ ｔ ｉｅ； ｔ ｉｎｇｕ ａ ｌ ｔｉｅ； ｍｉ ｒ ｓ ｒｐ ｒａ ｌ ｒ ａ ｔｃ ｃ ｏ ｔｉ
ａｎｔｅｎ１ ３ａ