波束掃描陣列天線設計及關鍵技術要點

許扣山

摘要：天線能依照指定方向發射輻射波及接收電磁波信號，其功能優勢在很大程度上影響無線系統的工作和運轉性能。波束掃描陣列天線是有排列規律的天線陣，它覆蓋范圍較大，勝任多項工作。本文探討該天線的設計原理及其技術要點，以供參考。

關鍵詞：波束掃描；陣列天線；設計

中圖分類號：TN882 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）09-0221-01

近年來，波束掃描陣列天線由于自身具備多項優勢，因而受到通訊領域的青睞，被廣泛運用于移動通訊，軍用通訊無線網絡等多個領域，因為當前國內的經濟迅速發展，科學技術更進一步，所以針對波束掃描陣列天線的相關研究也就得到了多方人員的重視和關注[1]。

1 波束掃描陣列天線的基本技術原理分析

波束掃描陣列天線整體上是以陣列天線、移相器以及功分網絡三個部分所構成。它的技術原理：運用改變陣列天線每個單元的激勵相位及其激勵幅度，對整個陣列天線的主波束的發射方向與主波束形狀作合理調整。

在陣列天線設計中我們是以饋電的幅度變化對主波束的形狀進行影響，在這個過程中，就需要對功分網絡進行適當的設計以實現對陣列天線單元的激烈幅度的控制。

2 寬帶波束掃描陣列天線設計技術要點

2.1 寬帶陣列天線設計

在寬帶陣列天線設計過程中，設計人員使用Quasi-Yagi天線單元設計四個單元的均勻直線陣，而且在設計時必須全面考慮移相器所需要的最大相移范圍，SLL最大限度的掃描范圍及其增益損失后，再找出合適的單元距離d值。

工作人員發現絕對值a為70度，d值為19毫米時陣列天線主波束可以在水平面負15度到15度之間的空域內達成掃描效果。在中心頻率為5Gh的情況下，a值為0度、-70度以及70度時增益模擬仿真效果分析：（1）a為70度的時候，主瓣指向偏離中心約-15度；（2）a為-70度的時候，主瓣最大指向偏離中心約15度，而SLL接近-11db。

當饋電相位反應差a為70度及-70度的時候，該列陣在中心頻率為5Gh的情況并且處于最大限度的掃描范圍時，它的最大增益大體上約是9.8db。當饋電相位反應差a為0度的時候，該列陣在中心頻率為5Gh的情況并且處于最大限度的掃描范圍時，它的最大增益大體上約是9.9db。同時最大增益隨著掃描角度的不斷增加反而下降，副瓣電平卻提高，方向圖也隨之產生了畸變。通過數據模擬，我們可以得知，2db的波動幅度不會影響天線的性能，然而在波動高于±30度的情況下，天線的SLL會大幅度的提升，所以我們在設計移相器時，要避免其的相位波動幅度過大，以此來提高線性度。

2.2 寬帶移相器設計

通常應用寬邊多層耦合結構進行移相器的設計，這個耦合結構通過倆層特性一樣的介質板及其三層導電層構成，這樣的構成性能可以與倆層共地微帶線的疊加效果相比擬。銅皮質的橢圓結構，公共地是由中間存在橢圓縫隙的導電層充當的，而且銅皮質的微帶線是利用橢圓縫隙來耦合的。與傳統窄邊的耦合器相比較而言，這樣的結構帶寬特性更優[2]。

首先，對寬帶移相器的構成部分——寬帶定向耦合器進行設計，設計者能夠應用傳統的奇偶模式分析法進行相關設計，此法可以忽略四個微帶線聯結端口，把上下的橢圓貼片與縫隙等效作為矩形貼片和矩形縫隙。縫隙可利用良導體做替換，因為這個結構分上下對稱，所以能夠對上部分做直接分析再對等到下部分。上部分的電場通常分布在矩形貼片和地面之間，因為邊緣效應造成了微帶線邊緣附近的電場的彎曲，此電場與微帶線電場分布有很大的相同之處，在奇偶模式的激勵下，上部分電場可等效為特質電阻的微帶線，特性抗阻越小，微帶線寬度越大，邊緣效應則越弱。

除此之外，設計人員可以進行寬帶移相器的聯合仿真功能，這個過程設計人員利用Ansoft designer、HFSS，來完成反射式模擬移相器的仿真設計，具體如下：（1）利用Designer新建一個Circuit Designer工程，同時對此工程的層疊結構進行設置，從而使其和HFSS中的耦合器仿真模型一致。（2）利用AddHFSS模型功能把HFSS中的寬帶耦合器仿真模型添加到Designer中的原理圖中，從而產生模型的應用實例（3）在移相器的端口利用微帶線進行反射終端模型的搭建，而且同時關注微帶線所在層的選擇。（4）進行變容二極管的SPICE模型的搭建，在反射終端的搭建中要重視變容二極管。（5）完成仿真頻率及其對應的設置，在進行仿真的運行。在設計過程中，要利用反射網絡的微帶線的長度及寬度的調節，從而讓移相器的相移幅度高于210度。

2.3 寬帶功分器設計

利用切比雪夫通帶內的波紋特性進行功分器的設計工作：

（1）首先對一分二功分器進行設計，在這個基礎上進行一分四功分器的設計，一分二功分器的相對帶寬標準要等于或者高于百分之四十，反射系數要低于-15Db。另外倆節解體變換能夠確保全部的工作帶寬的要求。通過微帶線數據公式能夠獲知每節微帶線的長、寬度，利用Ansoft Designer對微帶電路進行搭建，實現一分二功分器的電路仿真模擬。

（2）對于一分四功分器的設計而言，一定要使陣列天線單元的間距和四個輸出端口的距離一致。而且，一分四功分器使一分二功分器聯結而成的。一分二功分器的輸出端級聯倆個一樣結構的功分器，通過這樣的級聯實現一分四功分器結構的仿真模擬效果。

（3）設計者通過Ansoft Designer及其HFSS的聯合仿真模擬功能進行功分器相關部件的聯合仿真，從而實現完整的電控波束掃描天線系統運作的模擬。其中聯合仿真模擬利用了微波網絡分析，把相關的部件封裝為黑盒子，通過端口網絡的相關參數進行級聯從而分析出了整個系統的特性，以實現技術設計的仿真模擬效果[3]。

3 結語

伴隨著現在社會各行各業的高速數據的共享和傳輸的需求大幅度的增加，天線必須進行更高標準的升級換代。波束掃描陣列天線的應用非常廣泛，能產生巨大的經濟效益及其社會效益。現行天線技術尚未達到實用需求，所以掌握波束掃描陣列天線的設計原理和它的設計技術要點，對于我國的通訊安全、可靠、效率以及天線的普及與量產有很重要的意義。

參考文獻

[1]鐘亞君.用于UHF頻段的RFID波束掃描陣列天線設計[J]電訊技術，2016，（2）：171-175.

[2]張昀劍.一維超寬帶陣列天線時域波束掃描分析[J]火控雷達技術，2013，（2）：87-92.

[3]鐘亞君，吳次南，劉澤文.用于UHF頻段的RFID波束掃描陣列天線設計[J].電訊技術，2016， 56（2）：171-175.endprint