微帶柵格陣列天線分析
摘要：微帶柵格天線具有剖面低、體積小、成本低、易集成和易加工等優點。通過採用不同的饋電方式，可以實現天線不同的輻射方向，在雷達通信等領域裡應用廣泛。針對微帶柵格陣列天線輻射原理展開研究，採用一端饋電實現了天線的邊射，通過頻率掃描實現了天線輻射波束的掃描，並運用泰勒線源法優化微帶線上電流分布，降低了天線俯仰面的副瓣電平（＜-20 dB），最終該天線在Ku頻段18%的帶寬內，實現了方位面上超過±35°的波束掃描。
0 引 言
微帶柵格陣列頻率掃描天線與相控陣掃描天線和機械掃描天線相比，具有成本更低、結構更簡單和饋電更方便等一系列特點，被廣泛應用於雷達和通信中。
Kraus[1-2]在1964年首先提出柵格陣列天線，並詳細論述了其頻率掃描的原理，結構如圖1所示。不同的是，他當時採用的是金屬桿柵格。之後，微帶線結構逐漸代替了金屬桿。R. Condi[3]、Nakano[4]、L. T. Hildebrand[5]、K.D. Palmer[6]等人相繼對微帶的柵格陣列天線就如何提高求解速度和精度等方面做了大量研究。
儘管如此，要從理論上嚴格計算柵格的尺寸極其困難。本文將結合前人的研究，提出一些工程上的近似處理辦法和設計，並提出模擬中出現的一些現象，作為調節天線參數的參考，以滿足不同的應用和指標要求。
1 天線頻率掃描原理
如圖1所示，如果在中心2處饋電，將形成分裂在邊射左右兩邊的方向圖。如果在2的微帶線端點處饋電，將形成指向法向的方向圖。只有將2短路，在1或者3處饋電，才能形成未分裂的且單一邊射的方向圖，且波束指向隨頻率的變化而變化，如圖2所示。
在微帶柵格陣列天線的設計中，最重要的兩個參數是矩形柵格單元的兩條邊的長度，即長邊l 和短邊s 。由於對稱性，長邊上的電流等幅反向，輻射功能被抵消，主要負責傳輸；短邊則同時具備傳輸和輻射的功能。
如圖2所示，在埠1處饋電，2處短路，3處匹配，形成邊射方向圖。波束指向角度隨柵格參數l 和s 變化的函數為：
其中，px 為沿柵格長邊的相對相速，px=vx/c ；py 為沿柵格短邊的相對相速，py=vy/c 。m 為整數，一般取為1。當l 和s 固定時，波束方向會隨著波長的變化而變化，從而實現頻率掃描。
根據參考文獻[4-5]的經驗，柵格單元,其中為等效介質波長，a 的取值在1.12到1.19之間，相對相速。
2 泰勒線源優化法
除了柵格單元大小外，微帶線的寬度也是一個很重要的參數。泰勒線源法可以優化綜合出線陣中每個單元的電流分布，從而達到優化陣因子的目的。微帶柵格天線可以近似看成一個二維的平麵線陣。本文將採用泰勒線源法對該天線俯仰方向上的微帶線寬度進行優化，綜合出俯仰方向上低副瓣窄波束的方向圖。
以一個1×4的柵格線陣天線為例，如圖3所示。介質板相對介電常數為2.2，高度為30 mil（0.762 mm）。通過經驗法，選取 a=1.15，可以初步設定柵格單元的尺寸，即l =13.9 mm， s=6.3 mm。
水平方向上，微帶線寬度為0.5 mm；垂直方向上，中間的微帶線寬，兩邊窄。採用5階泰勒線源法，副瓣目標值設為-25 dB。這5條微帶線上的電流比值為0.25:0.66:1:0.66:0.25，對應的線寬分別為0.1 mm、1.4 mm、2.7 mm、1.4 mm、0.1 mm。
採用HFSS軟體對該線陣進行模擬，結果如圖4所示。實線為E面，虛線為H面，增益達到了12.1 dB，在H面上波束寬度為17.7°，副瓣為-21.7。如果不採用泰勒線源法，副瓣則為-12.6 dB。結果表明，泰勒線源法具有有效性。
3 柵格陣列天線模擬分析
設計要求：在Ku頻段內（flow～fhigh ～ ，這裡flow 和fhigh 分別表示要求頻段的低頻和高頻值），實現方位面上±35°的波束掃描，要求增益≥23 dBi，副瓣電平≤-20 dB，方位面上波束寬度≤3°，俯仰面上波束寬度≤15°。
根據設計要求，本文設計了一個91×7的微帶柵格陣列天線，其介質板參數與第2節相同，即=2.2，h =0.762 mm，柵格尺寸按經驗取初值為l =13.9 mm，s =6.3 mm，並將對其進行優化。同時，採用泰勒線源法優化陣列中柵格單元窄邊微帶線寬度，天線模型如圖5所示。饋電點在最右端，方位面為=90°即XOY面，俯仰面為（最大波束指向）的截面。
經過模擬優化，最終柵格單元尺寸為l =6.75 mm，s =13.25 mm，其方位面上掃描結果如圖6所示。隨著頻率的降低，波束指向角度變大，從fhigh 掃描到flow ，實現了最大波束指向從2°到38°。如果加上饋電切換開關，即可以實現此頻段內±38°的掃描。頻段內，可實現增益在23.3 dBi到26.8 dBi之間，如圖7所示。可見，採用泰勒線源優化法降低了天線的副瓣電平，其和波束寬度滿足設計要求。
在中心頻率上的俯仰面（=18°）方向圖，如圖8所示。波束寬度約12°，副瓣達到了-28 dB，也說明了泰勒法的有效性。
本文通過模擬發現：
（1）增加相對介電常數，可以拓寬掃描角度範圍，但同時會引起增益下降；
（2）增加介質板厚度h ，可以提高增益，降低副瓣，但同時會增加3 dB的波束寬度；
（3）增加柵格單元尺寸l 或s ，可以將圖6中的掃描曲線向左偏移，0°為極限，此時增益降低較多；反之，減少l 或s ，掃描曲線向右偏移，可實現大角度掃描；
（4）增加s 或增加Y 向上陣列的規模，可以降低方位面上波束寬度。
通過調節這些值，可以一定程度上滿足不同的指標要求。
4 結 語
微帶柵格頻率掃描天線結構簡單，饋電方便，成本低廉。基於這一系列特點，本文對其展開研究，實現了其在Ku波段18%帶寬範圍內的頻率掃描，掃描範圍超過±35°，並採用泰勒線源優化方法實現了天線的低副瓣。後續的研究工作將主要包括抑制掃描邊緣頻率的增益下降，降低大角度掃描時的旁瓣電平，優化柵格單元長邊微帶線寬度等。
參考文獻：
[1] Kraus J D.A Backward Angle-Fire Array Antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1964(12):48-50.
[2] Kraus J D,Carver K R.Wave Velocities on The Grid Structure Backward Angle-Fire Antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1964(07):509-510.
[3] Conti R,Toth J,Dowling T.The Wire Grid Microstrip Antenna[J].IEEE Trans.Antennas Propagat,1981,29(01):157-166.
[4] Nakano H,Oshima I,Mimaki H,et al.Numerical Analysis of a Grid Array Antenna[C].ICCS"94,1994:700-704.
[5] Hildebrand L T,McNamara D A.Verification of Spatial Domain Integral-equation Analysis of Microstrip Wire-grid Arrays[J].IEEE Proc. Microw. Antennas Propag.,1995,142(04):314-318.
[6] Palmer K D,Cloete J H.Synthesis of the Microstrip Wire Grid Array[C].10th International Conference on Antennas and Propagation,1997:14-17.
作者簡介：
溫 彬，中國電子科技集團第十研究所工程師，碩士，主要研究方向為天線輻射和散身分析等。
（本文選自《通信技術》2018年第五期）
原創聲明 >>>
本微信公眾號刊載的原創文章，歡迎個人轉發。未經授權，其他媒體、微信公眾號和網站不得轉載。
