基于毫米波微带天线设计的射频电路实验（二）

2． 3 天线阵列设计

1) 天线形式确定

上式中，λ 0 为中心频率处的真空波长; f x 和 σ x为波束展宽因子; d 为辐射单元间距; N 为辐射单元数，α m 为最大辐射方向与平面阵元之间的夹角。为满足单元副瓣抑制条件，单元间距 d 必须小于波长λ 0 ，适当缩小单元间距可以更好实现阵列天线的小型化，相应的会增大波束角，所以单元间距 d 选择 6mm。根据天线指标 E 面半功率波束角小于 30 度，算得 N 需要大于 3． 52。结合仿真所得的单个贴片单元的幅度方向图增益和天线指标增益要求，辐射单元数至少有 4 个。综合考虑这两点，可选择 4 元辐射单元。

此外，为抑制副瓣，辐射单元的馈电幅度采用泰勒加权的方式。根据天线指标副瓣电平小于 － 18dB，为保留设计余量，将副瓣电平 SLL 设为 － 20dB，算得泰勒权值为 I 1 : I 2 等于 1: 0． 6339。

2) 馈电网络设计

阵列天线示意图如图 4( a) 所示，根据该示意图可以画出右边两个辐射单元和馈电网络的等效电路，如图 4( b) 所示，其中 Y 0 为辐射单元输入导纳，Z c0 为微带线特性阻抗，Z c1 和 Z c2 为 90°电长度阻抗变换器的特性阻抗，Y 2 ’和 Y 2 为节点处输入导纳，I 1和 I 2 为两个辐射单元的电流幅度。

图 4 天线阵示意图

3) 阵列天线仿真按照图 4( a) 的天线示意图进行建模，得到阵列天线三维模型如图 5 所示。

图 5 天线阵 HFSS 模型

输入端口仿真结果如图 6 所示，在中心频率24． 125 GHz 的 S 11 参数为 － 34． 46 dB，驻波比为 1．04; 在24 GHz 和24． 25 GHz 频点上的驻波比分别为1． 24 和 1． 22，满足设计要求。

图 6 天线阵输入端口仿真结果

图 7 天线阵方向图仿真结果

天线在 24． 125 GHz 上的方向图仿真结果如图7 所示，增益为12． 12 dBi，E 面副瓣电平优化后达到－18． 35 dB，E 面 － 3dB 波束宽度为 27°，H 面 － 3dB 波束宽度为 68°，满足设计要求。

2． 4 天线加工与测试

天线仿真完毕后，用 AD09 软件制作 PCB 工程文件，即可加工制版，学生设计完成的一个天线实物如图 8 所示。输入端口采用 2． 92 mm 的射频接头，探针直径为 0． 3 mm。

图 8 天线实物

测试包括天线驻波比测试和方向图测试两部分。其中，驻波比测试是利用矢量网络分析仪完成，天线方向图测试，需要在微波暗室内进行，成本较高而且耗时很长，因此测试时应选择个别仿真和反射系数结果较好的天线进行测试。

图 8 对应的学生设计出来的天线端口测试结果见表 1 和图 9，从图中可见在工作频率范围内，天线输入驻波比均在 1． 5 以下，满足要求。

表 1 高度计天线输入端口测试结果

图 9 天线驻波比 S 11 参数实测结果

该天线实测方向图如图 10 所示，在 24． 125GHz 处，E 面 － 3 dB 波束角为 28°，副瓣电平为 －18． 94 dB; H 面 －3 dB 波束角为 65°，达到了设计要求。

图 10 天线实测幅度方向图

3 结语

在教育部当前开展新工科研究与实践的背景下，我们开展了射频电路设计创新实验项目的探索，开发了用于无人机高度测量的毫米波雷达天线的设计实验项目。该实验紧跟学科领域发展前沿，内容涵盖的知识点多，将微波技术、射频电路和天线原理等方面的知识有机融合，通过一个完整而又系统的设计过程，模拟解决实际工程问题的研发步骤，让学生获得更多的探索体验，具有很好的应用价值。目前该设计已通过毕业设计和大学生科研等形式试运行，学生反映良好，收到不错效果，下一步将考虑以一个综合实验项目或者课程设计的方式引入本科实验教学。（参考文献略）