微带反射阵列天线的研究与设计
一种串馈微带平面天线阵列的设计
2020年第09期(总第402期)电子质量作者简介院张闻涛(1982-)，男，高级工程师，硕士，研究方向为弹载雷达相控阵天线、波导缝隙天线、超宽带天线。
一种串馈微带平面天线阵列的设计Design of a Series-Fed Microstrip Plane Array Antenna张闻涛(中国空空导弹研究院,河南洛阳471009)Zhang Wen-tao (China Airborne Missile Academy,Henan Luoyang 471009)摘要：设计了一种应用于成像的二维天线平面阵列，利用串行馈电的方式，减小了大型阵列因较长馈线而带来的损耗，保证了天线增益，采用四分之一阻抗变换线进行加权，在带宽内天线在两个主平面副瓣在均低于-20dB，达到了设计要求，实现了微带阵列天线的低副瓣、高增益、宽频带的指标。
关键词：串馈微带阵列天线；低副瓣；宽频带中图分类号：TN820文献标识码：A文章编号：1003-0107(2020)09-0091-04Abstract:A two-dimensional antenna array is designed for imaging.The use of serial feed is used to reduce the loss of large arrays due to the longer feeder,which ensures the antenna gain and uses a quarter of the impedance The conversion line is weighted,and the antenna in the bandwidth is lower than -20dB in the two main plane sidelobes,which meets the design requirements,and achieves the low sidelobe,high gain and wide band of microstrip antenna.Key words:stringed microstrip array antenna;low sidelobe;wide band CLC number:TN820Document code:AArticle ID ：1003-0107(2020)09-0091-040引言微带天线具有低剖面、质量小、便于加工、成本低廉、易于与微波电路共面集成等优点，在机载通信、导航、识别、雷达和电子对抗等无线电领域得到广泛应用。
可折叠平面反射阵列天线的研究
摘要摘要平面反射阵列天线综合了传统抛物面天线和微带阵列天线的特点，它将反射面制作成平面型，没有复杂的馈电结构、剖面低、加工简单、成本低。
选择柔性板材作为介质材料的可折叠平面反射阵列天线不仅继承了平面反射阵列天线的常规优点，且具有质量轻、收拢体积小、成本低、可实现折叠与展开等进一步优势，具有广泛的应用前景。
本论文围绕X波段可折叠平面反射阵列天线的实现问题进行了详细的理论和实验研究，具体内容如下：1．为了实现平面反射阵列天线的可折叠特性，选择一种柔性板材作为介质材料是本论文至关重要的一步。
通过广泛调研并结合实际情况，最终把聚酰亚胺薄膜材料作为研究天线的介质材料，它具有厚度薄、韧度好、耐磨等特点，可实现折叠与展开，符合本论文的设计要求。
2．为了拓宽天线带宽以及降低加工难度，提出了一种结构简单、具有多谐振特点的宽带特性单元。
在充分考察结构参数、入射角、频率对天线单元相移曲线影响的基础上，优化获得了宽带范围内的线性相移曲线，给出了天线单元结构的设计方案。
3．利用上述给出的单元结构，设计了一种小口径（180mm180mm⨯）的可折叠平面反射阵天线，仿真表明：平面反射阵天线与同等口径的抛物面具有一致的远场方向图，在频率9.5GHz11.5GHz～（相对带宽20%）范围内，增益最大跌落小于1dB。
初步验证了单元的准确性，为制作大口径天线奠定了基础。
4．设计了大口径（300mm324mm⨯）的可折叠平面反射阵列天线，并完成了加工与测试。
测试结果表明：在频率9.5GHz11.5GHz～（相对带宽20%）范围内，最高副瓣电平均小于16dB-，其最高实测增益为28.78dB，最低实测增益为28.2dB，最大实测增益跌落在1dB范围内，实现了宽带宽特性。
在中心频率为10GHz处，实测增益为28.37dB，副瓣电平为20dB-，3dB波束宽度为6.1度，此时天线口径效率为50.6%，实现了高辐射效率。
介质材料本身可卷曲、轻质量且厚度很薄，仅为0.05mm，实现了可折叠、轻量化、收拢体积小等特性。
(重要)ETC 系统5.8GHz 微带二元天线阵列设计与仿真
ETC系统5.8GHz微带二元天线阵列设计与仿真代玲玉1，张立华21. 武汉理工大学电信系，武汉（430070）2. 总装驻3303厂军事代表室，武汉（430200）E-mail：sunlit1986@摘要：本文介绍了几种常用的天线，简要分析微带贴片天线工作原理，设计一种适用于ETC系统的工作在5.8GHz的微带二元贴片天线阵列。
并通过Ansoft HFSS V9.2软件仿真分析，结合Smith V2.0进行阻抗匹配，得到天线的方向图、输入阻抗以及S参数，仿真结果较好，为实际天线制作与测试提供十分有价值的参考信息。
关键词：ETC系统；5.8GHz；微带二元天线阵；Ansoft HFSS V9.2；Smith V2.01 引言随着社会的高速发展，交通阻塞、拥挤现象日趋严重，各国家利用电子、通信等高新技术来改造现有道路运输系统和管理体系，依此来大幅度提高路网通行能力和服务质量。
ETC(Electronic Toll Collection)即电子不停车收费系统，是一种用于道路、大桥和隧道的电子收费系统。
使用该系统，车主通过收费站时不需要停车，耗时不到两秒，该收费通道的通行能力是人工收费通道的5到10倍。
ETC系统通过安装于车辆上的车载装置和安装在收费站车道上的天线之间进行无线通信和信息交换。
车辆自动识别技术是其中最重要的技术，采用工作波段在5.8GHz的微波非接触式ID卡来完成识别工作，而天线是实现该项技术的重要元件。
其中采用Ansoft HFSSV9.2软件对所需天线进行仿真设计可以直观地看到天线的特性，减少很多工作量，进而更快更准确地设计出符合实际需求的天线[1]。
2天线天线的作用是把传输结构上的导波转换成自由空间波。
IEEE官方对天线的定义：“发射或接收系统中，经设计用于辐射或接收电磁波的部分。
”时变的电流和被加速的电荷都可以产生辐射，辐射产生的电磁能量能够在空间中传播。
天线能够定向辐射和接收电磁能量[2]。
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 —
Ka波段宽带圆极化微带天线单元及阵列设计
Ka波段宽带圆极化微带天线单元及阵列设计胡志慧;姜永华;李娜;凌祥【摘要】设计了一种基于矩形缝隙耦合的Ka波段圆极化微带天线单元,分析了各参数对轴比特性的影响；为改善天线的轴比带宽和圆极化纯度,采用顺序旋转馈电技术,设计了4×4宽带圆极化微带天线阵列.仿真结果表明,该天线阵列具有良好的宽带特性,其阻抗带宽(S11＜-10dB)达25％ (31.4 ～40.2GHz),轴比带宽(AR ＜3dB)达17％ (31.8 ～37.8GHz).【期刊名称】《弹箭与制导学报》【年(卷),期】2013(033)002【总页数】4页(P129-132)【关键词】宽带圆极化;顺序旋转馈电;矩形缝隙耦合;Ka波段【作者】胡志慧;姜永华;李娜;凌祥【作者单位】海军航空工程学院,山东烟台264001【正文语种】中文【中图分类】TN820 引言Ka波段是毫米波段中的一部分，其微带天线具有体积小、重量轻、剖面薄、易共形、方向性好、探测精度高等优点，已经在通信、导航、制导、引信等方面获得了广泛应用。
然而，在Ka波段，雨雾等空中水凝物对电磁波后向散射形成的雨杂波严重影响了雷达的探测精度。
由于圆极化微带天线可以有效抑制雨杂波干扰和抗多径反射[1]，从而可减弱雨杂波对雷达探测性能的影响，因此，对Ka波段圆极化微带天线的研究有重要意义。
微带天线获得圆极化的基本原理是激起两个幅度相等、极化方式正交的线极化波，其实现方法主要有单馈法及多馈法。
文献[2]采用方形切角微带天线单元研制了毫米波圆极化单脉冲天线阵列，尽管结构简单，但轴比带宽只有1.2%，极化性能也较差;文献[3]研制了Ka波段高增益圆极化微带天线阵列，轴比带宽得到一定提高，达到了5.6%;文献[4]和文献[5]分别采用4层介质耦合馈电和正交 H形口径耦合馈电设计了宽带圆极化微带天线，获得了较宽的阻抗带宽和轴比带宽，但这种天线结构比较复杂，尺寸比较大，不适合阵列天线的应用。
阵列天线分析与综合
阵列天线分析与综合前言任何无线电设备都需要用到天线。
天线的基本功能是能量转换和电磁波的定向辐射或接收。
天线的性能直接影响到无线电设备的使用。
现代无线电设备，不管是通讯、雷达、导航、微波着陆、干扰和抗干扰等系统的应用中，越来越多地采用阵列天线。
阵列天线是根据电磁波在空间相互干涉的原理，把具有相同结构、相同尺寸的某种基本天线按一定规律排列在一起组成的。
如果按直线排列，就构成直线阵；如果排列在一个平面内，就为平面阵。
平面阵又分矩形平面阵、圆形平面阵等；还可以排列在飞行体表面以形成共形阵。
在无线电系统中为了提高工作性能，如提高增益，增强方向性，往往需要天线将能量集中于一个非常狭窄的空间辐射出去。
例如精密跟踪雷达天线，要求其主瓣宽度只有1/3度；接收天体辐射的射电天文望远镜的天线，其主瓣宽度只有1/30度。
天线辐射能量的集中程度如此之高，采用单个的振子天线、喇叭天线等，甚至反射面天线或卡塞格伦天线是不能胜任的，必须采用阵列天线。
对一些雷达设备、飞机着陆系统等，其天线要求辐射能量集中程度不是很高，其主瓣宽度也只有几度，虽然采用一副天线就能完成任务，但是为了提高天线增益和辐射效率，降低副瓣电平，形成赋形波束和多波束等，往往也需要采用阵列天线。
在雷达应用中，其天线即需要有尖锐的辐射波束又希望有较宽的覆盖范围，则需要波束扫描，若采用机械扫描则反应时间较慢，必须采用电扫描，如相控扫描，因此就需要采用相控阵天线。
在多功能雷达系统中，既需要在俯仰面进行波束扫描，又需要改变相位展宽波束，还需要仅改变相位进行波束赋形，实现这些功能的天线系统只有相控阵天线才能完成。
随着各项技术的发展，天线馈电网络与单元天线进行一体化设计成为可能，高集成度的T/R组件的成本越来越低，使得在阵列天线中的越来越广泛的采用，阵列天线实现低副瓣和极低副瓣越来越容易，功能越来越强。
等等。
综上所述，采用阵列天线的原因大致有如下几点：■容易实现极窄波束，以提高天线的方向性和增益；■易于实现赋形波束和多波束；■易于实现波束的相控扫描；■易于实现低副瓣电平的方向图。
交指型左手微带天线研究
图３．４支路四单元等幅同相馈电结构示意图和模拟结果………………………．．３５
图３．５干路四单元等幅同相馈电结构示意图和模拟结果…………………………３６ 图３．６ ４ｘ４等幅同相馈电结构示意图和模拟结果………………………………．．３８ 图３．７ Ｌ波段４ｘ４左手微带天线阵列……………………………………………．．３９ 图３．８ Ｌ波段４ｘ４左手微带天线阵列实物图与回波损耗结果…………………．．４１ 图３．９ １．６０３ＧＨｚ处Ｌ波段４ｘ４左手微带天线阵列方向图………………………４２
图２．１１ １．６ＧＨｚ处小型化交指型左手微带天线方向图…………………………．．２２ 图２．１２ Ｌ波段传统微带天线和小型化左手微带天线实物图及测试结果………２３
Ｖ
图表目录
图２．１３小型化交指型左手微带天线单元色散曲线图……………………………２５
图２．１４小型化交指型左手微带天线和传统微带天线的ＲＣＳ对比……………．．２７
ａｎｔｅｎｎａ（ＩＬＨ—ＭＳＡ）ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｔｏ
ｅｌｉｓＢ）．＇ｅ
Ｏｉｌ
ｒａｄｉ ａＩｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ，ｔｈｅ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｒａａｇｅｓ ｏｆ
１ｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＩＬＨ－ＭＳＡ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｏｂｔａｉｎｅｄ
ａｓＩＬｒｉ
Ｔｈｅｎ，ａｎ
图２．１５宽波束左手微带天线………………………………………………………．．２８ 图２．１６宽带左手微带天线…………………………………………………………２９
图３．１并联馈电……………………………………………………………………．．３２
图３．２串联馈电………………………………………………………………………３２ 图３．３等路径长度馈电……………………………………………………………．．３３
多层微带贴片天线单元和阵列设计
由改 进 的 传 输 线 模 型 法 ，得 到 上 、 下 层 贴 片 的 谐 振 频 率 分 别 有 下 面 的 表 示 式 ：
ｆ ＝ ｌ
ｃ ｏ
１ （ 一 １
２ １（ （１Ｌ ／４ｄ １ ＋１ １ ３ ∑＿１ １． １ ｎ ２ １）
， ３ ｃ 。
（） １
一
带 宽达 到 １ ％ １ ％（ Ｗ Ｒ＿ ２ Ｌ， ５ Ｓ Ｒ ２ Ｌ ３ ６ Ｓ ＜ ） ２ ％（Ｗ 引 ） 引，目前 也有 部分 天 线带宽 达 到 ３ ％（ Ｗ Ｒ ０ Ｓ
＿ ＿
２ 【 ，甚 至更 高 一 单 层 微 带天 线 带 宽 为 ４ ％（Ｗ Ｒ＿ ２Ｌ 。本 文 采 用经 验 公 式和 全 波 分 析法 ） ０ Ｓ ） 引
另外，文献 ［ 采用聚 四氟乙烯作为微带天线介质， ３ ］ 这种材料密度较大，导致天线阵列重量
过 重 ， 应 用 受 到 限 制 。鉴 于 这 个 原 因 ， 本 文 采 用 由 Ｎｏ ｘ １ ｍｅ ４ ２纸 及 特 定 的 胶 粘 剂 和 浸 渍 树 脂 制 作 而 成 的 ＮＨ Ｉ芳 纶 纸 蜂 窝 作 为 填 充 介 质 ， 其 性 能 良好 而 且 可 以 在 一 定 范 围 内 选 择 所 需 要 的 介 － 电常 数 。本 文选 择 的 介 电常 数为 １０ ．５，这种 介 电常数 的介 质 的重 量 很轻 ，在重 量 上很 易 于 满足 工 程 的 需要 ． ２ Ｉ 微 带 贴 片 天 线 单 元 参 数 的 粗 略 计 算 【 。 ６ ｊ 下 面 应 用 经 典 公 式 ，得 到 在 给 出频 率 范 围 内 的 部 分 微 带 天 线 的 基 本 尺 寸 和 参 数 。
＾， ３分别 表 示工 程 中给 定 的工 作频率 的上 下 限； ｃ ， ｏ为 自由空 间的 光速 ； Ｌ１ Ｌ ， ３分别 表示 上 、 下 贴 片 的 长 度 ； ｄ 为 各 层 介 质 的 厚 度 ； Ｅｉ 各 层 的 介 电 常 数 ， 其 中 两 层 贴 片 下 面 的 介 质 的 等 ｛ ｒ为