同轴共线阵列天线低副瓣设计【低副瓣边馈微带天线阵列设计】

　　摘 要：在实际应用中要求微带天线具备高增益、低副瓣、波束控制等特性。基于角馈方形微带贴片阵列天线的理论分析，采用中心短路、边缘馈电的方式设计了低副瓣ku波段单脉冲微带平面天线阵列。经测试所设计的10×10单元单脉冲微带天线阵的副瓣电平达到了-19.5 dB。结果证明该设计方法对高增益单脉冲天线设计是有效可行的。
　　关键词：边馈；微带天线阵；旁瓣；单脉冲
　　中图分类号：TN820.1文献标识码：A
　　文章编号：1672-1098(2012)02-0026-03
　　收稿日期：2012-04-05
　　基金项目：企业产学研委托研发课题资助项目（2012HX02）
　　作者简介：徐锋(1977-)，男，安徽淮南人，讲师，硕士，研究方向：电子信息工程。
　　Design of a Side-fed Microstrip Antenna Array with Side-lobe
　　XU Feng
　　(School of Electrical And Information Engineering, Huainan Normal University, Huainan Anhui 232038, China)
　　Abstract:Microstrip antenna array with high gain and low-side lobe is required in many applications.Through the theoretical study on corner-fed square patch array with coplanar feed.A side-fed Ku band monopulse microstrip antenna array with -19.5 dB side-lobe has been realized and measured.The results indicate validity of this method for design of high gain and monopulse antenna.
　　Key words:side -fed; microstrip antenna array; side lobe; monopulse
　　传统的单脉冲系统多采用波导结构，因而天线体积和质量较大。考虑到微带天线的质量轻、易与集成电路实现一体化设计、成本低等特点，微带天线逐渐走入研究人员的视野，成为单脉冲天线大家庭中的一员。
　　2003年文献［1］设计出了一个一维的低损耗双向辐射单脉冲微带天线阵，获得大于-10dB的旁瓣电平；在频率较高的毫米波波段，文献［2］给出了一种共面单脉冲微带天线设计，但其副瓣并不理想；在ku波段，文献［3］设计出了16元×16元的矩形贴片单脉冲均匀分布平面阵，最大增益为24.5 dB，副瓣<-17 dB；文献［4］中设计的16元单脉冲矩形贴片线阵，为了获得较低的旁瓣，每个单元都与衰减器和相位调节器相连。上述的微带阵列设计都是采用中心馈电结构，但在(主被动)双频复合天线或多频复合天线等需要两副或多副馈电结构时，采用中心馈电会使中心结构拥挤，甚至无法实现。
　　本文设计了一种中心短路、边缘馈电结构的微带馈电形式，采用两边完全等长的角馈式方形贴片，由四分之一波长阻抗变换段来控制阵列电流分布，获得低造价的低旁瓣电平设计。与传统中心馈电结构相比，这种馈电方式易于实现双频复合天线或多频复合天线模式。
　　1 角馈方形贴片理论分析
　　一般的中心馈电角馈方形贴片微带线阵（见图1a），利用各元间馈线形成四分之一波长阻抗变换段来控制阵列电流分布。采用线阵中心短路，边缘馈电的馈电结构仍采用四分之一波长阻抗变换段来控制阵列电流分布（见图1b)。因此对多条并列的线阵用锥削馈电网络连接起来，便形成面阵。
　　(a) 中心馈电阵列
　　(b) 中心短路馈电阵列
　　假设 YA 为各贴片的输入导纳， Yin是由馈电点向左端看去的输入导纳。Yc1和Yc2分别是两节四分之一波长阻抗变换段的特性导纳。
　　故对N=2n元线阵，右侧n元阵的输入导纳为
　　Yin=Y1=YA+n21 Y2=YA+n21 (YA+n22 Y3)=…
　　=YA(1+n21+n21 n22+…+n21 n22 …n2n-1) (1)
　　即输入阻抗为
　　Zin=ZA1+n21+n21 n22+…+n21 n22 …n2n-1 (2)
　　当工作于谐振频率附近时，贴片阻抗ZA≈RA，RA为谐振电阻(Ω)，与fr(GHz)， w 及h有关。wj的意义如图2所示。RA的经验公式为
　　RA=113f0.354rwjh0.24 (3)
　　图2 角馈方形贴片
　　前面定义的ni将决定各贴片的激励电流，两节四分之一波长阻抗变换段形成一个1∶ni的变压器。从而得各贴片电流的相对值(令中心处的第i=1号贴片电流为1A)。
　　I1=YAV=1
　　I2=n1YAV=n1
　　I3=n2I2=n2n1
　　Ii=ni-1ni-2…n1（5）
　　2 天线阵列设计
　　2.1 馈电网络设计
　　为了减小副瓣，两子阵间距为λg，选取电流分布
　　I1∶I2∶I3∶I4∶I5=1∶0.878∶0.669∶0.430∶0.258，因此取Zc0=150 Ω，可以得到
　　ZA=150×(1+I21+I22+I23+I24+I25)=369.96