赵卫标，董　涛，韩　琳，王　昕

(北京卫星信息工程研究所，北京100086)



一种新式串行馈电同时多波束微带天线的设计

赵卫标，董涛，韩琳，王昕

(北京卫星信息工程研究所，北京100086)

针对较大规模的串行馈电Blass多波束网络设计的复杂性，通过减少90°耦合器的种类提出了一种简化的设计方法，利用该方法给出了一种新式的微带线结构串行馈电同时多波束网络，并以S频段同时两波束的天线为例进行了设计验证。重点设计了串行馈电同时两波束网络的结构以及馈电网络关键的组成单元90°耦合器，并对简化带来的误差进行了重点的理论和仿真分析，设计了与馈电网络匹配的天线阵。对设计好的两波束天线进行了实物加工和测试，测试结果与仿真结果吻合较好，验证了设计的正确性。

Blass网络；串行馈电；同时多波束；90°耦合器

0　引言

随着武器信息链[1]、通信卫星等诸多领域的不断发展，多目标[2]同时通信的需求也日益迫切。

由于载体平台对天线的体积和重量有严格的限制[3]，若使用多副天线实现多目标同时通信，会增加天线的体积和重量[4]，并且会对天线间电磁兼容问题及平台的可靠性造成影响[5]。采用多波束天线实现孔径综合[6]，即利用一副天线同时产生多个波束来实现多副天线的功能，可有效解决上述问题。

多波束天线的实现有多种方法，用多波束网络加以实现即是其中的一种[7]。常见的多波束网络有Blass网络和Butler网络等。Butler网络只能在固定的指向形成正交的多个波束[8]，而Blass网络则可以在任意的指向形成多个波束[9]。对于波数个数要求比较少的较大规模Blass多波束天线而言，其馈电网络的设计会比较复杂。因此，本文通过减少90°耦合器的种类对Blass馈电网络的结构进行了简化，提出了一种新式微带线结构串行馈电同时多波束网络，并以S频段同时两波束的天线为例进行了设计验证。

1　多波束馈电网络的设计

1.1馈电网络的结构设计

馈电网络采用串行馈电方式，结构示意如图1所示。馈电网络有2个输入端口和8个输出端口，给1×8的直线天线阵馈电，可以同时形成2个波束。

馈电网络利用多个90°耦合器进行级联，在图1中的馈线交叉点处放置90°耦合器，将输入功率逐级分配到各个单元，同时利用90°耦合器端口的隔离特性增加不同波束之间信号的隔离度。通过改变固定移相线的长度来改变相位可以控制波束的指向。所以，设计串行馈电的馈电网络就是通过仿真设计90°耦合器，用设计好的耦合器组成整个馈电网络，通过调整固定移相线的长度调节相位来改变波束指向。

图1　串行馈电网络结构示意

1.290°耦合器的设计

微带结构串行馈电网络的设计关键在于90°耦合器的设计。所设计的馈电网络需要为1×8的天线阵馈电。为了实现等幅馈电，原则上需要设计功分比分别为1∶7、1∶6、1∶5、1∶4、1∶3、1∶2和1∶1的7种90°耦合器。为了简化设计，只设计了功分比为1∶7的90°耦合器，用来代替其他功分比的耦合器。

图2给出了90°耦合器的示意图。当耦合度C和输入端口阻抗Z0给定时[10]，可以计算出耦合器的主线阻抗Za和支线阻抗Zb。

图2　90°耦合器示意

1.3馈电网络的误差分析

馈电网络的简化使得馈电网络的输出由等幅馈电变为幅度指数衰减馈电。下面首先定义2个指标：馈电网络输出端口功率泄露比和波束功率利用率，然后分别从这2个指标出发对简化带来的误差进行分析。

假设简化设计中采用的90°耦合器的功分比为1∶(q-1)(q为大于1的正整数)，则馈电网络在8个输出端口实际的幅度分布是按幂函数依次递减的。波束1和波束2在8个输出端口输出的功率幅度分别满足式(1)和式(2)。

(1)

(2)

由于90°耦合器的固有特性，波束2馈给馈电网络输出端口i(i=1，2，…，7)的一部分信号不可避免地会泄露到输出端口i+1，对馈入输出端口i+1的信号造成干扰。定义由馈电网络输出端口i泄露到输出端口i+1的信号功率与馈入输出端口i+1的信号功率之比为馈电网络的输出端口功率泄露比p1，可以推导出p1为：

(3)

波束功率利用率定义为由每个波束馈入馈电网络所有输出端口的功率之和与输入该波束的总功率之比。在式(1)和式(2)对输出端口功率幅度的计算中，已经默认每个波束的输入总功率都为单位一。那么每个波束馈入馈电网络所有输出端口的功率之和即为该波束的功率利用率。波束1与波束2的功率利用率p2和p3分别为：

(4)

(5)

在等幅馈电的网络中，理想的波束功率利用率应等于1，所以简化网络的波束功率利用率p2和p3也反映了幅度指数衰减馈电的功率增益与等幅馈电功率增益相比的衰减值。

分析可知，馈电网络输出端口功率泄露比p1与波束功率利用率p2和p3是相互矛盾的。增大q的取值，会使p1降低(变好)，同时会使得p2也降低(变差)，p3则是先升高再降低(在q=4时取得最大值)。为了使p1取得较低值同时p2和p3的取值也较大，限制p1小于-6 dB且p2和p3大于50%。满足上述限制的q取值范围为6≤q≤10(且q取正整数)。折中考虑，选取q=8，即选取功分比为1∶7的90°耦合器。此时波束1和波束2的功率利用率分别为65.64%和57.43%，换算成dB值分别为-1.83 dB和-2.41 dB。输出端口功率泄露比也比较小，等于-7.87 dB。

等幅馈电与简化后幅度指数衰减馈电(q=8)对应的同时两波束仿真方向图对比如图3所示。

图3　同时两波束仿真方向图对比

由图3可知，简化后的幅度指数衰减馈电仿真方向图与等幅馈电的方向图相比，其位于0°以及33°处的主瓣增益分别下降了-1.90 dB和-2.36 dB，所有副瓣增益的下降值位于-2.13～-1.97 dB之间，所有的零深都稍有升高。由于天线的能量主要集中在主瓣，所以主瓣处的增益下降仿真值与利用波束功率利用率得出的增益下降理论值-1.83 dB和-2.41 dB比较接近。副瓣处的增益下降仿真值处于2个主瓣处增益下降仿真值之间。总体来看，2种幅度分布对应的方向图总体趋势基本一致。

1.4馈电网络的幅相特性分析

由于用功分比为1∶7的90°耦合器代替了其他功分比的耦合器，所以馈电网络在8个输出端口实际的幅度分布按指数函数依次递减。波束1和波束2在8个输出端口输出的功率幅度分别满足式(6)和式(7)。

(6)

(7)

以同时两波束指向分别为0°和33°为例进行设计，在半波长的阵元间距下对应的阵内相位差由式(8)决定。

Δφm=2πdsinθm/λ。

(8)

式中，d为阵元间距；θm为波束指向。经计算0°和33°的波束对应的阵内相位差分别为0°和98°。

2　天线阵的设计

天线阵是微带形式的8元线阵。天线单元为S频段微带切角开槽圆极化形式，采用同轴底馈。

阵元间距对阵列性能有很大影响。阵元间距过大会导致天线阵在大角度扫描时出现栅瓣[11]。阵元间距过小又会增大天线单元之间的互耦[12]，对阵中单元的端口匹配特性和辐射方向图造成影响。综合考虑阵元间距对栅瓣和单元互耦的影响，选取阵元间距为中心频率处的半波长。

选取Taconic的RF-60A介质基片(相对介电常数为6.15，厚度为1.52 mm)，使用高频电磁仿真软件HFSS对馈电网络和天线阵列进行仿真优化，得到的仿真模型如图4所示。图4(a)中的端口a和端口b为2个波束的输入端口，端口1～8为馈电网络的8个输出端口。

图4　馈电网络和天线阵仿真模型

该多波束天线的波数个数具有可扩展性，能够根据实际需要通过增加耦合器的行数来增加波束的个数，同时三波束馈电网络模型如图5所示，其中端口a、端口b和端口c为3个波束的输入端口，端口1～8为馈电网络的8个输出端口。

3　仿真与测试结果

对优化好的同时两波束天线仿真模型进行加工实测，天线的仿真与实测结果如图6所示。

图6(a)、图6(b)和图6(c)分别给出了多波束天线2个波束输入端口的反射系数S11和同时两波束辐射方向图的仿真与实测结果比较。由图6(a)和图6(b)可知，多波束天线的波束1和波束2输入端口仿真的阻抗相对带宽(S11<-10 dB)分别为7.26%和6.40%，测试结果分别为6.91%和6.32%，仿真与测试曲线趋势基本一致。由图6(c)可知，在中心频率处天线仿真与测试方向图的主瓣基本吻合。

图6　测试与仿真结果

4　结束语

提出了一种简化的多波束网络结构，并以同时两波束的天线为例进行了设计、优化仿真和实物加工测试。结果表明，该天线能够在S频段形成同时两波束。该多波束天线具有Blass多波束天线的波数个数可扩展性，能够根据实际需要增加波束的个数，可适用于武器信息链、通信卫星等领域多目标同时通信的需求。

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赵卫标男，(1989—)，硕士研究生。主要研究方向:天线技术。

董涛男，(1975—)，博士，研究员。主要研究方向:相控阵天线理论与技术。

Design of a Novel Serial Feed Simultaneous Multi-beam Microstrip Antenna

ZHAO Wei-biao,DONG Tao,HAN Lin,WANG Xin

(BeijingInstituteofSatelliteInformationEngineering,Beijing100086,China)

For larger scale serial feed Blass multi-beam networks,complexity is one of its essential problems.A simplified design method is proposed through a reduction in types of 90° couplers,and a novel serial feed simultaneous multi-beam network consisting of microstrips is presented through this method.An S-band simultaneous two-beam antenna is used to verify the structure as an example.Especially,the structure of the serial feed simultaneous two-beam network and the 90° coupler are designed.A theoretical and simulation analysis is made for errors caused by simplification.Then the antenna array matching with the feed network is designed.The two-beam antenna is fabricated and tested.The test result is consistent with the simulated result,which confirms the validity of this design.

Blass network;serial feed;simultaneous multi-beam;90° coupler

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.10.14

2016-07-12

科技部国际科技合作与交流专项基金资助项目(2012DFA11410)。

TN99

A

1003-3106(2016)10-0058-03

引用格式：赵卫标，董涛，韩琳，等.一种新式串行馈电同时多波束微带天线的设计[J].无线电工程,2016,46(10):58-60,72.