王 辉， 赵海明， 王汝征， 林 莉

（北京华航无线电测量研究所，北京100013）

0 引言

在毫米雷达天线设计中，通常采用微带天线。微带天线的馈电方式有串联馈电和并联馈电两种［1-3］。

微带天线阵列设计的一个关键问题是降低副瓣。选用合适的电流分布，采用不同电流加权形式，可以压缩副瓣，满足性能指标。串馈贴片加权分为贴片加权和馈线加权两种［4］：一种是在天线单元阻抗上进行变换；另一种是在传输线上进行变换。对于贴片加权，每个贴片单独设计；对于馈线加权，每个贴片相同，但各个贴片对应的功分器需单独设计。

本文提出一种串馈微带阵列天线的设计方法。采用贴片加权方式，给出了天线设计原理和设计步骤。据此，设计了“一发两收”天线阵，给出了天线仿真和测试结果。

1 工作原理

串馈矩形微带贴片天线可看作一个场量在横向没有变化的传输线谐振器，如图1所示，其等效的传输线模型如图2所示。l、b分别为微带贴片长度与宽度；iYs、Gs、Bs分别为辐射缝导纳、电导与电纳。场仅沿微带贴片长度方向变化，微带贴片长度l通常是接近半个波长，辐射主要由间距为l的两个开路端缝隙场产生［1］。

矩形微带贴片可以等效为两个辐射缝，进一步可以等效为两个并联导纳。所以如图3所示的串馈结构，可以等效为多个并联导纳，如图4所示。各导纳的电流不同，但电压都相同。图3中的λe为介质中等效波长。

显然，串馈微带贴片阵的等效电路具有并联形式［2-4］，每个贴片电压相同，贴片功率与电阻成反比。据此原理，可以设计串馈微带贴片阵。

为降低天线副瓣，各贴片功率从阵列中心至边缘呈锥削分布。贴片电阻是从阵列中心至边缘逐步升高。贴片电阻与贴片长宽有关系，贴片越宽，电阻越小。所以，贴片宽度是从阵列中心至边缘逐步变小。

2 设计步骤

串馈微带阵列天线的设计，可分为八个步骤。

步骤一，根据设计频率确定印制板厚度d，一般选择在（0.01～0.03）λ0之间。

步骤二，根据d、馈线阻抗Z计算馈线宽度b［5］：

选定主馈线阻抗后，根据式（1），计算主馈线宽度。主馈线阻抗一般设为100Ω左右，宽度一般≥0.2 mm。较细的线宽受加工精度影响较大，但较粗的线宽馈线占用较多的空间，不方便折弯、布线，所以线宽根据需要适当选择。

步骤四，计算等效波长：

步骤五，计算每个单元的激励功率。

单元间距初始值设置为λe。根据副瓣要求，利用泰勒副瓣加权公式计算每个单元的激励功率［6］。设定第一个电阻值，根据功率比分配给每个贴片电阻值，计算每个天线电阻。

步骤六，仿真确定每个贴片的长度和宽度。

贴片宽度b和长度l的初始值计算式为［5］

根据电阻值，利用图5仿真模型，确定每个贴片的长度和宽度。其中激励端口距离贴片边缘λe/2。仿真每个贴片，把输入阻抗调节为设计值。具体是利用史密斯圆图［7］，把仿真阻抗调到实阻抗线上，阻抗值为设计值。

调节贴片宽度、长度，把实阻抗值调节为设计值，把虚阻抗值调节为零。贴片阻抗值由阵列中心到边缘递增，贴片宽度递减。

步骤七，用主馈线级联各贴片，并把各贴片调节为同相。

如图6、图7所示，从末级贴片到第一个贴片依次级联：2×1线阵、3×1线阵等，把各贴片相位调节为同相。利用仿真软件的近场功能，计算贴片中心位置相位。具体方法：在贴片中心正上方划一条线，计算近场，得到贴片中心相位。近场线起点、终点都是贴片中心正上方，距离贴片0.05 mm。调整贴片间距，把相位调节成一致。贴片间距的初始值可以设置为λe，通过仿真进一步确定实际间距。主馈线与贴片阻抗差别较大，难以调节匹配，通过调节三角贴片的长度和宽度，把主馈线与贴片连接处输入阻抗调为实阻抗。调为实阻抗后，如果相位差变化较大，再微调相位差。如果虚阻抗较大，再微调三角片长度、宽度。

步骤八，整阵仿真。

完成线阵设计后，用功分馈线级联形成天线阵。阵列内部是调节为实阻抗，在阵列出口调节匹配。

3 仿真结果

根据节2设计步骤，设计了一个K波段矩形微带串馈线阵，采用泰勒加权，天线仿真模型如图8所示。天线包括“一发两收”三个子阵，每个线阵10个微带贴片。SMP在天线背面馈电。收发天线中间有3列金属化孔，用于提高天线隔离度，金属化孔中心间距为λ0/15。发射天线方位向方向图按偏转22°设计。

天线层关系示意图如图9所示，采用4层印制板结构。板材采用Rogers RO4350B，介电常数3.66，损耗角正切值0.004，板厚0.254 mm。半固化片为Rogers RO4450F，厚度0.1 mm。

天线驻波、隔离度和方向图仿真结果如图10～13所示。在125 MHz带宽内，驻波不大于1.2，隔离度不小于71 d B，发射天线增益18.16 dB，接收天线增益12.84 d B。

4 测试结果

天线加工实物如图14与图15所示，天线长88 mm，宽71 mm。SMP连接器通过锡焊焊接在天线背面覆铜地上。

天线驻波、隔离度测试结果如图16、图17所示，在125 MHz带宽内，驻波不大于2，隔离度不小于51.5 dB。

天线增益测试结果如图18、图19所示，发射天线增益16.66 dB，接收天线增益13.58 dB。根据实测增益，估算天线效率为22%。

5 结论

本文提出了一种串馈微带天线设计方法，给出了设计原理和设计步骤。采用贴片加权方式，根据副瓣电平设计每个微带贴片的阻抗值，再由阻抗值确定贴片尺寸。各个微带贴片通过主馈线级联形成阵列。贴片与馈线之间通过三角形过渡调节为实阻抗，在阵列出口调节驻波。根据此设计方法设计了“一发两收”天线阵，给出了天线仿真和测试结果。