一种串馈微带阵列天线的设计

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。

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。

表2：副瓣电平为-20dB的Chebyshev分布

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。

图3：阵列回波损耗

图4：阵列方向图

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。

图5：MWI微带线计算工具