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一种串馈微带阵列天线的设计

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发表于 2017-4-1 13:28:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
笔者基于Rogers公司的RO4350B板材设计了一个4×4微带串馈阵列天线,现就整个设计流程和心得进行分享。天线设计指标如表1所示。
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表1:天线设计指标


设计指标分析

笔者使用RO4350B板材已经积累不少天线设计和调试经验,因此决定仍然采用这个板材。RO4350B堪称“性价比之王”,一方面它在24GHz的频段下仍然具有稳定的介电常数和损耗因子,并且在诸如基站通信、微波雷达等高频领域得到广泛应用和检验;另一方面它的成本相对低廉,无论是单板还是混压技术都十分成熟。天线带宽只要求250MHz, 10mil或者20mil厚度均可满足,本设计选用20mil厚度。板厚确定后,100ohm微带线的介质波长约为0.6个空间波长。利用阵列因子容易计算4×4均匀阵的-3dB波束宽度约为22°,因此可判断4×4串馈微带阵列可以满足设计指标。

阵元设计

利用任一商用电磁仿真软件建立垂直极化阵元模型,调整贴片宽度和馈电线伸入贴片的长度可以调整输入阻抗,容易获得图1所示的匹配状态。

图1:阵元设计


馈电网络设计

馈电网络设计是关键环节,考虑设计余量,利用Chebyshev分布计算等间距等相条件下-20dB副瓣的功率分布,得到表2所示功率分配。分别设计H 面和E面馈电网络,调整各阻抗变换段使各输出端口的功率分别满足Chebyshev分布。按图2所示方式组合H面和E面馈电网络即可得到整个馈电网络。由于相对带宽很窄,简单的四分之一阻抗变换段即可满足带宽要求,进一步优化各阻抗变换段直到功率分布满足期望分布值。
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表2:副瓣电平为-20dB的Chebyshev分布

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图2:馈电网络设计


阵列天线设计和优化

在设计好阵元和馈电网络后,进行4×4阵列的全波仿真。这一步特别需要注意的是,阵元间的相互耦合会使得功率分配和匹配状态恶化,因此需要仔细调试。既可以根据仿真软件扫参结果进行手动调节,也可以利用Matlab编程调用HFSS软件进行自动优化。图3是4×4微带阵列天线的驻波,-10dB阻抗带宽达到1.1GHz,满足24-24.25GHz的工作带宽指标。图4为微带阵列天线的方向图,H面和E面方向图的-3dB波束宽度及副瓣电平均可满足设计指标。阵列天线主要电性能参数的仿真和实测结果在表3中给出。
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图3:阵列回波损耗


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图4:阵列方向图


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表3:仿真和实测结果


设计心得

驻波实测结果相对于仿真结果往高频漂移200MHz,由于天线实测整体带宽达到1.2GHz,因而仍然可以获得-12dB以下的回波损耗。如果需要进一步调试回波损耗,对照SMITH图,使用刻刀调整馈电点处的变换段很容易获得更佳的匹配。方向图测试曲线和仿真曲线的趋势相近,实测副瓣约为-18dB。另外,Rogers公司官方推出的MWI工具(如图5所示),是一个精确计算各个系列板材上微带线特征阻抗和损耗的工具,非常值得推荐使用。

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图5:MWI微带线计算工具


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发表于 2017-4-3 11:12:42 | 显示全部楼层
楼主这个设计不错,值得学习,就是在馈电网络的设计部分能够详细点就更好了
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发表于 2017-8-3 11:46:24 | 显示全部楼层
学习了,请问单元间距是多少
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发表于 2017-8-25 15:22:53 | 显示全部楼层
请问单元间距怎么确定的呢
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发表于 2017-9-30 11:25:59 | 显示全部楼层
主题很好,要是讲的详细点就更好了,希望楼主继续·········
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发表于 2018-4-4 21:05:46 | 显示全部楼层
值得学习,就是在馈电网络的设计部分能够详细点就更好了
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发表于 2019-5-15 17:59:53 | 显示全部楼层
模型有吗?  馈电网络能讲的仔细一点吗?
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发表于 2020-6-5 15:58:38 | 显示全部楼层
这个E面的馈电网络 阻抗变换怎么设计的
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发表于 2020-6-6 15:07:16 | 显示全部楼层
可以多介绍一下馈电网络吗
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发表于 2020-6-10 22:37:40 | 显示全部楼层
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