一种串馈微带阵列天线设计方法

摘要

本发明公开一种串馈微带天线设计方法，首先确定电磁波在介质板中的等效波长；再根据天线尺寸和等效波长确定单元数目；根据设计副瓣电平，设计每个天线单元的激励电流；根据激励电流确定每个单元的功率，根据电阻与功率成反比，确定每个单元的阻抗；根据确定的单元阻抗，设计天线贴片尺寸。通过三角片把主馈线与贴片调整为实阻抗，在最终出口调节匹配。另外在两个天线之间增加了金属化孔，增加天线间的隔离度。采用此方法可以较简单、直观地设计串馈微带阵列天线。

说明书

技术领域

本发明属于天线领域，特别涉及一种串馈微带阵列天线设计方法。

背景技术

微带天线由于体积小、重量轻、低剖面、可共形、易加工等优点，在雷达和通信等领域得到了广泛的应用。通常微带阵列天线的馈电方式有串联馈电和并联馈电两种，微带串联馈电的主要优点有：馈线比较短，有效减小由于馈线引入的辐射和散射损耗，提高天线效率；各微带贴片单元排列紧凑，天线的空间利用率高，减小天线阵列的面积，更有利于天线的小型化设计与实现。

虽然目前可以用于分析微带天线的方法很多。常用的有传输线模型、空腔模型、矩量法、有限元法及时域有限差分法等。但对于串馈微带阵列天线，具体的设计方法较少。常用等效电路法，设计方法较复杂，而且只是通用的近似方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种串馈微带阵列天线设计方法，用于串馈微带阵列天线的设计。相比于现有技术，该方法可以相对简单的设计串馈微带天线组成的天线阵列。

本发明提供了一种串馈微带阵列天线设计方法，技术方案是：首先相关公式确定电磁波在介质板中的等效波长，再根据天线尺寸和等效波长确定单元数目。根据设计的副瓣电平，设计每个天线单元的激励电流。因为从阵列中心到边缘，阵列激励幅度锥削时，阵列副瓣较低。根据激励电流确定每个单元的功率，根据电阻与功率成反比，确定每个单元的阻抗。根据确定的单元阻抗，设计天线贴片尺寸。具体是调整贴片的长度、宽度达到设计的实阻抗。各贴片级联，贴片间距为1个有效波长。通过三角片把主馈线与贴片调整为实阻抗，在最终出口调节匹配。另外在两个天线之间增加了金属化孔，增加天线间的隔离度。而且金属化孔足够密(间距<λ₀/15)，才能保证隔离。

本发明的技术方案如下：

一种串馈微带天线设计方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、首先确定电磁波在介质板中的等效波长；

步骤2、再根据天线尺寸和等效波长确定单元数目；

步骤3、根据预先设计的副瓣电平和步骤2的所述单元数目，设计每个天线单元的激励电流；

步骤4、根据每个天线单元激励电流确定每个天线单元的功率，进而根据每个天线单元的功率确定每个天线单元的阻抗；

步骤5、根据确定的每个天线单元的阻抗，设计天线贴片尺寸；

步骤6、从而完成串馈微带天线的设计。

进一步的，步骤5中设计天线贴片尺寸包括：

调整贴片的长度、宽度达到设计的实阻抗；各贴片级联，贴片间距为预定个有效波长；通过三角片把主馈线与贴片调整为实阻抗，在阵列天线的出口调节匹配；另外在两个天线之间增加了金属化孔，增加天线间的隔离度；而且使金属化孔达到预定间距。

进一步的，贴片间距为预定个有效波长具体为：贴片间距为1个有效波长。

进一步的，金属化孔达到预定间距具体为：间距小于λ₀/15，其中，λ₀为天线工作的中心频率对应的波长。

进一步的，步骤5中设计天线贴片尺寸时，把单元阻抗调整为实阻抗，把储能的虚阻抗调整为零。

进一步的，具体通过调节与天线贴片相连接的三角贴片的长度和宽度，把储能的虚阻抗调为零。

进一步的，在阵列天线的出口调节驻波。

进一步的，步骤6还包括：将多个所述天线单元规则排布，形成天线阵列。

本发明的有益效果在于：使串馈微带天线设计方法简单、切实可行，便于设计。没有采用等效电路方法，而是采用阻抗渐变的设计方法，简单、直观，易于设计。

附图说明

图1为串馈微带天线示意图；

图2为贴片4-贴片5示意图；

图3为贴片3-贴片5示意图；

图4为贴片2-贴片5示意图；

图5为1×2天线阵列示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明的技术方案如下：

一种串馈微带天线设计方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、首先确定电磁波在介质板中的等效波长；

步骤2、再根据天线尺寸和等效波长确定天线单元数目；

所述天线单元数目为天线尺寸除以等效波长并取整。

步骤3、根据预先设计的副瓣电平和步骤2的所述天线单元数目，设计每个天线单元的激励电流；

所述激励电流可由副瓣加权公式，代入副瓣电平和天线单元数目计算得到。

步骤4、

(4.1)根据每个天线单元激励电流确定每个天线单元的功率；

具体的，假定每个天线单元的电阻值均相同，从而通过其激励电流获得对应的功率。

(4.2)进而根据功率确定每个天线单元的阻抗；

具体的，通过公式P＝U²/Z来确定每个天线单元的阻抗。其中，P为功率，U为电压，Z为阻抗。

步骤5、根据确定的每个天线单元的阻抗，设计天线贴片尺寸；

步骤6、从而完成串馈微带天线的设计。

进一步的，步骤5中设计天线贴片尺寸包括：

调整贴片的长度、宽度达到设计的实阻抗；各贴片级联，贴片间距为预定个有效波长；通过三角片4把主馈线与贴片调整为实阻抗，在阵列天线的出口调节匹配；另外在两个天线之间增加了金属化孔，增加天线间的隔离度；而且使金属化孔达到预定间距。

进一步的，贴片间距为预定个有效波长具体为：贴片间距为1个有效波长。

进一步的，金属化孔达到预定间距具体为：间距小于λ₀/15，其中，λ₀为天线工作的中心频率对应的波长。

进一步的，步骤5中设计天线贴片尺寸时，把单元阻抗调整为实阻抗，把储能的虚阻抗调整为零。

进一步的，具体通过调节与天线贴片相连接的三角贴片的长度和宽度，把储能的虚阻抗调为零。

进一步的，在阵列天线的出口调节驻波。

进一步的，步骤6还包括：将多个所述天线单元规则排布，形成天线阵列。

本发明的串馈微带阵列天线设计说明图如图1-图4所示。所述串馈微带阵列天线由微带贴片天线1、介质板2和敷铜地3组成。采用双层微带贴片，上层为贴片天线1，下层为敷铜地3，它们敷于介质板2的两侧。多个贴片单元通过主馈线级联形成串馈线阵。

首先根据天线工作频率选择印制板厚度h。天线工作的中心频率对应的波长为λ₀，介质板厚度h一般选择为0.01λ₀-0.03λ₀。

根据公式1计算介质板的有效介电常数ε_e。公式1中ε_r为介质板相对介电常数，w为微带线宽度，此时取

${ϵ}_e=\frac{1}{2}[{ϵ}_r+1+({ϵ}_r-1)·{(1+\frac{10h}{w})}^{-\frac{1}{2}}]---\left(1\right)$

根据公式2计算电磁波在介质板中的有效波长λ_e。

${\lambda }_e=\frac{{\lambda }_0}{\sqrt{{ϵ}_e}}---\left(2\right)$

在串馈微带天线设计中，为了使每个贴片单元同相馈电，贴片单元间距为1个有效波长λ_e。可以根据天线尺寸和有效波长λ_e确定贴片单元的数目。可以根据公式(3)、(4)确定微带贴片的宽度W和长度L的初始值。

$W=\frac{{\lambda }_0}{2}{\left(\frac{{ϵ}_e+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}}---\left(3\right)$

$L=\frac{{\lambda }_0}{2\sqrt{{ϵ}_e}}---\left(4\right)$

因为单元间隔为1个λ_e，可以根据天线尺寸确定单元的数目。确定主馈线的阻抗，根据公式(5)确定主馈线线宽的初始值。具体仿真时，各公式的计算值会有微调。

$Z=\frac{1}{\sqrt{{ϵ}_e}}[60·ln(\frac{8h}{w}+\frac{w}{4h})]---\left(5\right)$

其中，Z为主馈线特性阻抗。

根据线阵加权确定每个单元的激励功率。根据单元激励功率确定贴片单元的阻抗。具体是单元阻抗与贴片激励功率成反比。首先确定第一个贴片的阻抗，然后根据比例确定其它贴片的阻抗。如图1所示，调节贴片的长度和宽度，把贴片阻抗调整为需要的阻抗。贴片宽度主要影响贴片的实阻抗，长度主要影响贴片的虚阻抗。把每个贴片的阻抗调整为需要的阻抗后，每个贴片从末级依次级联。图2中是末级两个贴片的级联方式。一般主馈线阻抗远小于天线贴片的阻抗，无法对主馈线与贴片进行调节匹配。本发明则是把阻抗调整为实阻抗，把储能的虚阻抗调整为零。具体通过调节三角贴片4的长度和宽度，把储能的虚阻抗调为零。根据此步骤，各贴片单元依次级联。在最终出口，再调节驻波。图3、图4分别是3个贴片、4个贴片的级联方式。

多个所述天线单元规则排布，形成天线阵列。图5是1×2天线阵列，在两个天线之间增加了金属化孔5，增加天线间的隔离度。

上述具体实施方式仅用于解释和说明本发明的技术方案，但并不能构成对权力要求保护范围的限定。本领域技术人员应当清楚，在本技术方案的基础上进行任何简单的变形或者替换而得到的新的技术方案，均将落入本发明的保护范围之内。