許扣山

摘要：天線能依照指定方向發(fā)射輻射波及接收電磁波信號(hào)，其功能優(yōu)勢(shì)在很大程度上影響無線系統(tǒng)的工作和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。波束掃描陣列天線是有排列規(guī)律的天線陣，它覆蓋范圍較大，勝任多項(xiàng)工作。本文探討該天線的設(shè)計(jì)原理及其技術(shù)要點(diǎn)，以供參考。

關(guān)鍵詞：波束掃描；陣列天線；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN882 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(xiàng)優(yōu)勢(shì)，因而受到通訊領(lǐng)域的青睞，被廣泛運(yùn)用于移動(dòng)通訊，軍用通訊無線網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)領(lǐng)域，因?yàn)楫?dāng)前國內(nèi)的經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)更進(jìn)一步，所以針對(duì)波束掃描陣列天線的相關(guān)研究也就得到了多方人員的重視和關(guān)注[1]。

1 波束掃描陣列天線的基本技術(shù)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(wǎng)絡(luò)三個(gè)部分所構(gòu)成。它的技術(shù)原理：運(yùn)用改變陣列天線每個(gè)單元的激勵(lì)相位及其激勵(lì)幅度，對(duì)整個(gè)陣列天線的主波束的發(fā)射方向與主波束形狀作合理調(diào)整。

在陣列天線設(shè)計(jì)中我們是以饋電的幅度變化對(duì)主波束的形狀進(jìn)行影響，在這個(gè)過程中，就需要對(duì)功分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)

2.1 寬帶陣列天線設(shè)計(jì)

在寬帶陣列天線設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員使用Quasi-Yagi天線單元設(shè)計(jì)四個(gè)單元的均勻直線陣，而且在設(shè)計(jì)時(shí)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(fā)現(xiàn)絕對(duì)值a為70度，d值為19毫米時(shí)陣列天線主波束可以在水平面負(fù)15度到15度之間的空域內(nèi)達(dá)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(shí)增益模擬仿真效果分析：（1）a為70度的時(shí)候，主瓣指向偏離中心約-15度；（2）a為-70度的時(shí)候，主瓣最大指向偏離中心約15度，而SLL接近-11db。

當(dāng)饋電相位反應(yīng)差a為70度及-70度的時(shí)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(shí)，它的最大增益大體上約是9.8db。當(dāng)饋電相位反應(yīng)差a為0度的時(shí)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(shí)，它的最大增益大體上約是9.9db。同時(shí)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(chǎn)生了畸變。通過數(shù)據(jù)模擬，我們可以得知，2db的波動(dòng)幅度不會(huì)影響天線的性能，然而在波動(dòng)高于±30度的情況下，天線的SLL會(huì)大幅度的提升，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)移相器時(shí)，要避免其的相位波動(dòng)幅度過大，以此來提高線性度。

2.2 寬帶移相器設(shè)計(jì)

通常應(yīng)用寬邊多層耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行移相器的設(shè)計(jì)，這個(gè)耦合結(jié)構(gòu)通過倆層特性一樣的介質(zhì)板及其三層導(dǎo)電層構(gòu)成，這樣的構(gòu)成性能可以與倆層共地微帶線的疊加效果相比擬。銅皮質(zhì)的橢圓結(jié)構(gòu)，公共地是由中間存在橢圓縫隙的導(dǎo)電層充當(dāng)?shù)?，而且銅皮質(zhì)的微帶線是利用橢圓縫隙來耦合的。與傳統(tǒng)窄邊的耦合器相比較而言，這樣的結(jié)構(gòu)帶寬特性更優(yōu)[2]。

首先，對(duì)寬帶移相器的構(gòu)成部分——寬帶定向耦合器進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者能夠應(yīng)用傳統(tǒng)的奇偶模式分析法進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，此法可以忽略四個(gè)微帶線聯(lián)結(jié)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?？p隙可利用良導(dǎo)體做替換，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)構(gòu)分上下對(duì)稱，所以能夠?qū)ι喜糠肿鲋苯臃治鲈賹?duì)等到下部分。上部分的電場(chǎng)通常分布在矩形貼片和地面之間，因?yàn)檫吘壭?yīng)造成了微帶線邊緣附近的電場(chǎng)的彎曲，此電場(chǎng)與微帶線電場(chǎng)分布有很大的相同之處，在奇偶模式的激勵(lì)下，上部分電場(chǎng)可等效為特質(zhì)電阻的微帶線，特性抗阻越小，微帶線寬度越大，邊緣效應(yīng)則越弱。

除此之外，設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行寬帶移相器的聯(lián)合仿真功能，這個(gè)過程設(shè)計(jì)人員利用Ansoft designer、HFSS，來完成反射式模擬移相器的仿真設(shè)計(jì)，具體如下：（1）利用Designer新建一個(gè)Circuit Designer工程，同時(shí)對(duì)此工程的層疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)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(chǎn)生模型的應(yīng)用實(shí)例（3）在移相器的端口利用微帶線進(jìn)行反射終端模型的搭建，而且同時(shí)關(guān)注微帶線所在層的選擇。（4）進(jìn)行變?nèi)荻O管的SPICE模型的搭建，在反射終端的搭建中要重視變?nèi)荻O管。（5）完成仿真頻率及其對(duì)應(yīng)的設(shè)置，在進(jìn)行仿真的運(yùn)行。在設(shè)計(jì)過程中，要利用反射網(wǎng)絡(luò)的微帶線的長(zhǎng)度及寬度的調(diào)節(jié)，從而讓移相器的相移幅度高于210度。

2.3 寬帶功分器設(shè)計(jì)

利用切比雪夫通帶內(nèi)的波紋特性進(jìn)行功分器的設(shè)計(jì)工作：

（1）首先對(duì)一分二功分器進(jìn)行設(shè)計(jì)，在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行一分四功分器的設(shè)計(jì)，一分二功分器的相對(duì)帶寬標(biāo)準(zhǔn)要等于或者高于百分之四十，反射系數(shù)要低于-15Db。另外倆節(jié)解體變換能夠確保全部的工作帶寬的要求。通過微帶線數(shù)據(jù)公式能夠獲知每節(jié)微帶線的長(zhǎng)、寬度，利用Ansoft Designer對(duì)微帶電路進(jìn)行搭建，實(shí)現(xiàn)一分二功分器的電路仿真模擬。

（2）對(duì)于一分四功分器的設(shè)計(jì)而言，一定要使陣列天線單元的間距和四個(gè)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(lián)結(jié)而成的。一分二功分器的輸出端級(jí)聯(lián)倆個(gè)一樣結(jié)構(gòu)的功分器，通過這樣的級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)一分四功分器結(jié)構(gòu)的仿真模擬效果。

（3）設(shè)計(jì)者通過Ansoft Designer及其HFSS的聯(lián)合仿真模擬功能進(jìn)行功分器相關(guān)部件的聯(lián)合仿真，從而實(shí)現(xiàn)完整的電控波束掃描天線系統(tǒng)運(yùn)作的模擬。其中聯(lián)合仿真模擬利用了微波網(wǎng)絡(luò)分析，把相關(guān)的部件封裝為黑盒子，通過端口網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行級(jí)聯(lián)從而分析出了整個(gè)系統(tǒng)的特性，以實(shí)現(xiàn)技術(shù)設(shè)計(jì)的仿真模擬效果[3]。

3 結(jié)語

伴隨著現(xiàn)在社會(huì)各行各業(yè)的高速數(shù)據(jù)的共享和傳輸?shù)男枨蟠蠓鹊脑黾樱炀€必須進(jìn)行更高標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)換代。波束掃描陣列天線的應(yīng)用非常廣泛，能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益及其社會(huì)效益。現(xiàn)行天線技術(shù)尚未達(dá)到實(shí)用需求，所以掌握波束掃描陣列天線的設(shè)計(jì)原理和它的設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)于我國的通訊安全、可靠、效率以及天線的普及與量產(chǎn)有很重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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

[2]張昀劍.一維超寬帶陣列天線時(shí)域波束掃描分析[J]火控雷達(dá)技術(shù)，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(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2016， 56（2）：171-175.endprint