一种串馈微带阵列天线设计方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
一种串馈微带阵列天线设计方法
技术领域
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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<λ〇/15)，才能保证隔离。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -种串馈微带天线设计方法，该方法包括如下步骤：
[0008] 步骤1、首先确定电磁波在介质板中的等效波长；
[0009] 步骤2、再根据天线尺寸和等效波长确定单元数目；
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 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；
[0013] 步骤6、从而完成串馈微带天线的设计。
[0014] 进一步的，步骤5中设计天线贴片尺寸包括：
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 进一步的，金属化孔达到预定间距具体为：间距小于λο/15,其中，λο为天线工作的 中心频率对应的波长。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 进一步的，在阵列天线的出口调节驻波。
[0021 ]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。
[0022]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】
[0023]图1为串馈微带天线示意图；
[0024]图2为贴片4-贴片5示意图；
[0025] 图3为贴片3-贴片5示意图；
[0026] 图4为贴片2-贴片5示意图；
[0027]图5为IX 2天线阵列示意图。
【具体实施方式】
[0028]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。
[0029]本发明的技术方案如下：
[0030] -种串馈微带天线设计方法，该方法包括如下步骤：
[0031] 步骤1、首先确定电磁波在介质板中的等效波长；
[0032]步骤2、再根据天线尺寸和等效波长确定天线单元数目；
[0033]所述天线单元数目为天线尺寸除以等效波长并取整。
[0034]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；
[0035] 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。
[0036] 步骤 4、
[0037] (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；
[0038] 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。
[0039] (4.2)进而根据功率确定每个天线单元的阻抗；
[0040] 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。
[0041]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；
[0042 ]步骤6、从而完成串馈微带天线的设计。
[0043] 进一步的，步骤5中设计天线贴片尺寸包括：
[0044] 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。
[0045]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。
[0046]进一步的，金属化孔达到预定间距具体为：间距小于λ〇/15,其中，λ〇为天线工作的 中心频率对应的波长。
[0047]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。
[0048]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。
[0049] 进一步的，在阵列天线的出口调节驻波。
[0050] 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。
[0051] 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。
[0052]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λ〇， 介质板厚度h-般选择为0.0 Uq-O . 〇3λ0。
[0053] 根据公式1计算介质板的有效介电常数公式1中^为介质板相对介电常数，w为 微带线宽度，此时Φ
[0054]
( 1 )
[0055] 根据公式2计算电磁波在介质板中的有效波长
[0056]
.⑵
[0057] 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I。可以根据天线尺寸和有效波长I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。
[0058] (3)
[0059] ⑷
[0060] 因为单元间隔为IfAe，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。
[0061]
( 5 、
[0062] 其中，Z为主馈线特性阻抗。
[0063] 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。贝占 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。
[0064] 多个所述天线单元规则排布，形成天线阵列。图5是I X 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。
[0065] 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。
【主权项】
1. 一种串馈微带天线设计方法，其特征在于，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； 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； 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。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，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。3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，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。4. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，金属化孔达到预定间距具体为：间距小于λ〇/ 15，其中，λ〇为天线工作的中心频率对应的波长。5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，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。6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，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。7. 如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，在阵列天线的出口调节驻波。8. 如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，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。
【文档编号】H01Q21/00GK106067605SQ201610340820
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年5月20日 公开号201610340820.4, CN 106067605 A, CN 106067605A, CN 201610340820, CN-A-106067605, CN106067605 A, CN106067605A, CN201610340820, CN201610340820.4
【发明人】王辉, 赵海明, 王汝征, 林莉, 刘国栋
【申请人】北京华航无线电测量研究所