一种微带相控阵天线的设计与仿真

一种ka频段相控阵天线近年来，随着通信技术的不断发展，相控阵天线作为一种重要的天线技术，被广泛应用于卫星通信、雷达、无线通信等领域。

在这些应用中，ka频段相控阵天线因其高频率、高速率和高带宽等特点，成为了研究的热点之一。

本文将介绍一种ka频段相控阵天线的设计和实现。

一、ka频段相控阵天线的基本原理相控阵天线是一种由多个天线单元组成的天线阵列，通过控制每个天线单元的相位和振幅，实现对天线阵列的辐射方向和波束宽度的控制。

ka频段相控阵天线的工作频率在26.5GHz至40GHz之间，具有高频率、高速率和高带宽等特点，因此在卫星通信、雷达、无线通信等领域有着广泛的应用。

二、ka频段相控阵天线的设计和实现本文设计的ka频段相控阵天线由16个天线单元组成，每个天线单元由一个微带天线和一个相位调节器组成。

微带天线采用圆形贴片天线，具有小尺寸、低成本、易制造等优点。

相位调节器采用PIN二极管，通过改变二极管的偏置电压，实现对天线单元的相位控制。

在实现相控阵的过程中，需要对每个天线单元的相位进行精确的控制。

为了实现这一目标，本文采用了一种基于DSP的相位控制方法。

具体来说，通过DSP芯片对每个天线单元的相位进行数字控制，实现对天线阵列的辐射方向和波束宽度的控制。

三、ka频段相控阵天线的性能测试为了验证本文设计的ka频段相控阵天线的性能，我们进行了一系列的实验。

实验结果表明，本文设计的相控阵天线具有较好的辐射特性和波束宽度控制能力。

在26.5GHz至40GHz的频段内，天线阵列的增益达到了20dB以上，波束宽度可控制在2度以内。

四、结论本文介绍了一种ka频段相控阵天线的设计和实现。

通过采用微带天线和PIN二极管相位调节器，实现了对天线阵列的相位控制。

同时，通过基于DSP的相位控制方法，实现了对天线阵列的辐射方向和波束宽度的精确控制。

实验结果表明，本文设计的相控阵天线具有较好的性能和应用前景。

相控阵天线的平台布局仿真设计Simulation and Design of the phased arrayantenna placement王真刘志惠(南京电子技术研究所南京210039)摘要: 随着相控阵天线技术的发展，天线设计工程师除了进行相控阵天线自身性能的详细设计以外，还更多地关注相控阵天线在载体平台上的布局设计，因为这样的载体平台布局设计才决定了相控阵天线最终可实现的性能特性，而非实验室的理论性能。

相控阵天线与平台的一体化仿真也越来越借助FEKO等高频电磁仿真软件，本文从具体实例出发，论述了利用FEKO软件对相控阵天线的平台布局进行仿真优化设计。

关键词: 相控阵天线平台布局FEKOAbstract:Along with the development of the phased array antenna technology, phased array antenna design engineers in addition to their own performance of detailed design, also pay more attention to the platform layout of the phased array antenna, because it determines the performance characteristics which the phased array antenna can realize, not the theoretical performance of laboratory. The platform layout simulation of phased array antenna is becoming more and more with the help of a high frequency electromagnetic simulation software FEKO, etc, starting from the concrete examples, this paper discusses the platform layout of phased array antenna simulation optimization design by using FEKO.Key words:phased array antenna，platform layout，FEKO1 概述随着相控阵天线技术的发展，天线设计工程师除了进行相控阵天线自身性能的详细设计以外，还更多地关注相控阵天线在载体平台上的布局设计，因为这样的载体平台布局设计才决定了相控阵天线最终可实现的性能特性，而非实验室的理论性能。

·14 ·测控与通信2011年第4期一种S/Ka双频段共形相控阵天线仿真设计崔伊萍尹鹏飞（中国电子科技集团公司第39研究所西安710065）摘要论述相控阵天线的设计原理和思路，介绍了波导缝隙天线和微带贴片天线的设计思想，以及在空间比较小的要求下如何共形布阵同时满足结构和电器的要求。

HFSS 仿真结果表明该S/Ka双频段相控阵天线性能指标优良。

关键词共形相控阵天线波导缝隙天线微带贴片天线S/Ka双频段Design and Simulation of S/Ka Dual-band ConformalPhased Array AntennaCui Yiping, Yin Pengfei(No.39 Research Institute of CETC, Xi’an 710065, China)Abstract：This paper briefly discusses the phased array antenna design principles and ideas, and describes the design ideas of the waveguide slot antenna and microstrip antenna.HFSS simulation results show excellent performance of the S/Ka dual-band conformal array antenna.Key words：conformal, phased array antenna, waveguide slot antenna, microstrip antenna, S/Ka dual-band0 引言天线是1种发射和接收电磁波的装置。

一般情况下，由单个辐射器构成的天线就可以完成发射和接收电磁波的任务。

但在一些特殊的应用中，往往要求具有很大的方向性和很高的增益，有时还要求波瓣可以扫描且有一定的形状等等。

第４８卷第３期(总第１８９期)２０１９年９月火控雷达技术ＦｉｒｅＣｏｎｔｒｏｌＲａｄａｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ ４８Ｎｏ ３(Ｓｅｒｉｅｓ１８９)Ｓｅｐ ２０１９天天馈馈线线伺伺服服系系统统收稿日期:２０１９０３０６作者简介:孙姣(１９８８－)ꎬ女ꎬ工程师ꎮ研究方向为雷达天线设计与分析技术ꎮ一种微带相控阵天线设计孙㊀姣１㊀蒋延生２㊀张安学２(１.驻西安地区第六军事代表室㊀西安㊀７１００４３ꎻ２.西安交通大学㊀西安㊀７１００４９)摘㊀要:低截获技术的应用大大提高了雷达的生存能力和作战能力ꎮ本文根据低截获雷达要求ꎬ按照天线综合方法ꎬ设计了一款满足指标要求的相控阵天线ꎮ首先ꎬ依据指标极化形式㊁单元间距㊁扫描范围和扫描增益的要求选取双层微带天线作为辐射单元并进行了理论设计和仿真ꎻ然后ꎬ利用ＨＦＳＳ仿真软件仿真设计了并馈双层微带天线和天线子阵ꎬ通过仿真发现电压驻波比和方向图满足设计要求ꎻ最后ꎬ加工了一个辐射单元试验小阵ꎬ测试互耦ꎬ计算其扫描电压驻波比和阵中单元方向图ꎬ性能优良ꎬ验证了天线设计的正确性ꎮ关键词:天线综合ꎻ双层微带ꎻ相控阵天线中图分类号:ＴＮ９５７.５１㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００８－８６５２(２０１９)０３－０７６－０６引用格式:孙姣ꎬ蒋延生ꎬ张安学.一种微带相控阵天线设计[Ｊ].火控雷达技术ꎬ２０１９ꎬ４８(３):７６－８２.ＤＯＩ:１０.１９４７２/ｊ.ｃｎｋｉ.１００８－８６５２.２０１９.０３.０１４ＴｈｅＩｎｖｅｎｔｉｏｎＲｅｌａｔｅｓｔｏＡＭｉｃｒｏｓｔｒｉｐＰｈａｓｅｄＡｒｒａｙＡｎｔｅｎｎａＤｅｓｉｇｎＳＵＮＪｉａｏ１ꎬＪＩＡＮＧＹａｎｓｈｅｎｇ２ꎬＺＨＡＮＧＡｎｘｕｅ２(１.ＴｈｅＳｉｘｔｈＭｉｌｉｔａｒｙＲｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅＯｆｆｉｃｅｉｎＸｉ ａｎꎬＸｉ ａｎ７１００２１ꎻ２.Ｘｉ ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＸｉ ａｎ７１００４９)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｌｏｗｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｏｆｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ(ＬＰＩ)ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｓｕｒｖｉｖａｂｉｌｉｔｙａｎｄｃｏｍｂａｔｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆｒａｄａｒ.ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆａｎｔｅｎｎａｓｙｎｔｈｅｓｉｓꎬａｐｈａｓｅｄａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆＬＰＩｒａｄａｒ.Ｆｉｒｓｔｌｙꎬｔｈｅｄｏｕｂｌｅ￣ｌａｙｅｒｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐａｎｔｅｎｎａｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎｅｌｅｍｅｎｔａｃ￣ｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｍꎬｔｈｅｕｎｉｔｓｐａｃｉｎｇꎬｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｒａｎｇｅａｎｄｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｇａｉｎꎬａｎｄｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ.Ｔｈｅｎꎬｔｈｅｄｏｕｂｌｅ￣ｌａｙｅｒｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐａｎｔｅｎｎａａｎｄａｎｔｅｎｎａａｒｒａｙａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｆｅｄｂｙＨＦＳＳｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ.ＴｈｅＶＳＷＲａｎｄｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍａｒｅｆｏｕｎｄｔｏｍｅｅｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｔｈｒｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ.Ｆｉｎａｌｌｙꎬａｓｍａｌｌｒａｄｉａｔｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｔｅｓｔａｒｒａｙｉｓｐｒｏｃｅｓｓｅｄｔｏｔｅｓｔｔｈｅｍｕｔｕａｌｃｏｕｐｌｉｎｇꎬａｎｄｉｔｓｓｃａｎｎｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｓｔａｎｄｉｎｇｗａｖｅｒａｔｉｏａｎｄｔｈｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｉｎｔｈｅａｒ￣ｒａｙａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ.Ｔｈｅｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｖｅｒｉｆｉｅｓｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅａｎｔｅｎｎａｄｅｓｉｇｎ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ａｎｔｅｎｎａｓｙｎｔｈｅｓｉｓꎻｄｏｕｂｌｅ￣ｌａｙｅｒｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐꎻｐｈａｓｅｄ￣ａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａ０㊀引言雷达不被敌方各种截获接收机截获ꎬ就可以避免被侦察㊁被干扰和被反辐射导弹攻击ꎬ这就促使了低截获概率(ＬＰＩ)雷达的产生[１]ꎮ低截获概率的实质ꎬ就是雷达的最大作用距离大于敌方侦查接收机的最大探测距离ꎬ即雷达保证在探测到目标的同时ꎬ使得敌方接收机截获到雷达信号的概率最小化ꎮＬＰＩ技术的应用大大提高了雷达的生存能力和作战能力[２]ꎮ天线作为雷达系统的重要部件之一ꎬ直接影响第３期孙姣等:一种微带相控阵天线设计着雷达性能的好坏和成本的高低ꎮ在近几十年当中ꎬ随着航空㊁航天技术的飞速发展ꎬ雷达天线也在突飞猛进地发展ꎬ经历了从传统的抛物面天线㊁卡塞格伦天线到波导型阵列天线的逐步过渡ꎮ然而ꎬ由于传统雷达天线主要基于机械扫描技术ꎬ存在着诸多缺点ꎬ如重量体积大㊁扫描速度慢㊁灵活性差等ꎮ相控阵技术的出现使雷达技术得到了更进一步的发展ꎮ它具有灵活性好㊁稳定性高㊁波束扫描速度快等诸多优点ꎮ通过控制各个阵元的相位ꎬ能够实现波束快速扫描ꎬ并且能够根据环境的不同自适应调节波束的指向ꎬ极大提高了雷达的性能[３]ꎮ本文结合实际天线指标要求介绍了相控阵天线综合ꎮ依据宽带宽角扫描辐射单元的要求ꎬ提出了天线单元的设计方法ꎬ设计了一种并馈双层微带天线线阵ꎬ将线阵组成天线子阵ꎬ利用ＨＦＳＳ软件仿真了该形式的天线子阵ꎬ加工了天线子阵ꎬ并进行了外场测试ꎬ对设计方法进行了验证ꎮ１㊀方案设计天线的总设计思想为:采用脉冲和二维接收ＤＢＦ工作体制ꎬ控制电路和微波电路均高度集成ꎬ减少天线内部各单元之间的线缆连接ꎬ提高天线的可靠性和维修性ꎮ天线由天线阵面㊁高集成信号传输网络㊁信号处理㊁频综和本振㊁供电及散热设备等组成ꎮ天线的电原理见图１ꎮ图１㊀雷达天线电原理图２㊀天线综合相控阵天线综合的方法有傅里叶级数法[４]㊁谢昆诺夫法[５]㊁切比雪夫综合法[６]和泰勒[７]线源综合法等ꎮ本文主要根据泰勒线源综合法进行天线综合设计ꎬ确定天线各个参数ꎮ根据扫描范围的指标要求ꎬ考虑到天线组件的模块化设计㊁天线阵面结构布局的可行性以及接收天线阵面的对称性要求ꎬ天线阵面采用矩形栅格形式ꎮ雷达天线的阵面布局图见图２ꎮ图２㊀雷达天线的阵面布局图方位面采用相扫的方式实现－４０ʎ~＋４０ʎ的空域覆盖要求ꎮ方位面单元间距ｄｘ应满足:ｄｘɤλ１＋ｓｉｎθ＝１０.３ｍｍꎬ方位面单元间距ｄｘ取９.９ｍｍꎬ为了满足方位和俯仰面８ʎ宽发ꎬ２个５ʎ同时窄收的工作体制要求ꎬ俯仰面单元间距也取为９.９ｍｍꎮ发射阵面为矩形布局方式ꎬ天线方位包含４个子阵ꎬ俯仰包含４个子阵ꎬ共１６个发射子阵ꎬ工作状态时ꎬ发射Ｔ组件每通道均工作在饱和放大状态ꎬ发射天线为均匀加权ꎬ发射天线中心频率方向图见图３㊁图４ꎮ图３㊀天线发态方向图７７火控雷达技术第４８卷图４㊀天线发态方向图㊀㊀为了满足雷达指标的要求ꎬ同时兼顾数据处理和本振功分的问题ꎬ接收阵面采用子阵式ＤＢＦ工作体制ꎬ近似圆形布局方式ꎬ天线方位包含８个子阵ꎬ俯仰包含８个子阵ꎬ全阵共５２个子阵ꎮ接收天线采用同时波束的方法实现方位和俯仰差波束ꎬ接收天线中心频率方向图见图５和图６ꎮ图５㊀天线收态和差方向图图６㊀天线收态和差方向图３　仿真设计高性能辐射单元是相控阵天线的核心元件ꎬ其决定了相控阵天线的扫描性能ꎮ微带天线因具有体积小㊁重量轻㊁剖面低㊁馈电方式灵活㊁价格便宜㊁易与导弹㊁飞行器共形等特点在工程上具有良好的应用背景ꎮ本文采用矩形微带天线作为阵列天线的阵元ꎮ微带天线工作的频率为ｆ０ꎬ矩形贴片的长宽分别为Ｌ和Ｗꎬ所采用的介质板厚度为ｈꎬ介电常数为εｒꎬ则可通过经验公式粗略的求出矩形贴片的长宽ꎬ再通过仿真软件进行优化ꎬ这样可以大幅度地节省天线的设计时间ꎮ综合考虑ꎬ选择ＲＯ４３５０板材ꎬεｒ为３.６６ꎬ板材厚度ｈ为０.５０８ｍｍꎮ根据上述经验公式计算出微带单元的初始尺寸为Ｌ＝４.４９８ｍｍ㊁Ｗ＝５.８８ｍｍꎮ利用ＨＦＳＳ软件对所设计的单元天线建模ꎬ并对其进行了仿真ꎬ模型如图７所示ꎮ图７㊀单层微带天线仿真模型图经仿真发现ꎬ单层微带天线的频带比较窄ꎮ为了展宽频带ꎬ我们采用双层微带天线ꎬ天线带宽可达１２％ꎮ双层微带天线仿真模型图见图８ꎮ图９和图１０为双层微带辐射单元电压驻波比和增益仿真结果ꎮ图８㊀双层微带天线仿真模型图８７第３期孙姣等:一种微带相控阵天线设计图９㊀双层微带辐射单元电压驻波比仿真结果图１０㊀双层微带辐射单元增益仿真结果㊀㊀对微带天线单元进行组阵时ꎬ单元是通过馈电网络连接的ꎮ微带阵列天线的馈电方式有并联馈电和串联馈电ꎬ通过对比串联馈电和并联馈电的优缺点以及依据仿真结果和实际应用的需求综合考虑ꎬ最终本文选择并联馈电网络组成的阵列天线ꎮ为避免功分网络对辐射单元性能的影响ꎬ功分网络采用一分三并行功分的形式ꎬ与辐射单元位于不同的电路层ꎬ功分器和辐射单元之间通过同轴馈电连接ꎬ实现了辐射单元和馈电网络的物理隔离ꎬ并且通过加载电感钉的匹配方式ꎬ消除了功分网络的谐振现象ꎬ展宽了微带线阵的带宽ꎬ线阵辐射单元之间通过周期性的电感钉形成高阻表面ꎬ消除了单元之间的互耦ꎬ提高了单个天线单元的增益ꎮ并馈仿真模型见图１１ꎬ图１２为并馈双层微带辐射单元中心频率方向图仿真结果ꎬ图１３为并馈双层微带辐射单元电压驻波比仿真结果ꎮ图１１㊀并馈双层微带辐射单元图１２㊀并馈双层微带辐射单元方向图图１３㊀并馈双层微带辐射单元电压驻波比该项目称为子阵式ＤＢＦ天线ꎬ根据指标的要求ꎬ三个线阵组成一个子阵ꎬ子阵结构图形见图１４ꎬ每个线阵通过波珠接插件与一路ＴＲ组件或者Ｒ组件焊接ꎬ即每个子阵包含３路ＴＲ组件或者Ｒ组件ꎬ子阵通过ｓｍｐ和Ｊ３０等盲插结构与高集成的信号传输网络连接ꎬ在仿真设计时考虑固定螺钉对子阵性能的影响ꎮ子阵仿真模型图见图１５ꎮ子阵电压驻波比仿真结果见图１６ꎬ子阵方向图仿真结果见图１７ꎮ通过仿真发现ꎬ子阵三个端口的驻波在频带范围内电压驻波比小于２ꎻ子阵方向图具有较好的对称性ꎮ图１４㊀子阵结构图形９７火控雷达技术第４８卷图１５㊀子阵仿真模型图１６㊀子阵电压驻波比图１７㊀子阵方向图(ｆ０)４　实验验证加工一子阵进行子阵电压驻波比㊁有源单元反射系数(转换成有源单元电压驻波比)及有源单元方向图的测试ꎮ子阵的实物图见图１８ꎬ用一块金属铝板代替瓦片式ＴＲ组件ꎬ将型号为ＳＭＰ￣ＪＦＤ６Ａ射频接插件焊接到微带天线板上ꎬ微带天线板和金属铝板用导电胶固定ꎮ图１８㊀子阵实物图利用网络分析仪进行子阵电压驻波比测试ꎬ测试中间馈电口的电压驻波比ꎬ两边的馈电口接匹配负载ꎬ测试场景和测试结果见图１９ꎮ图１９㊀子阵电压驻波比的测试有源单元反射系数(转换为有源单元电压驻波比)的测试结果见图２０ꎮ０８第３期孙姣等:一种微带相控阵天线设计图２０㊀有源单元电压驻波比㊀㊀在微波暗室进行子阵有源单元方向图测试ꎬ测试中间端口的有源单元方向图ꎬ其余的端口接匹配负载ꎬ测试场景见图２１ꎬ测试结果见图２２至图２４ꎬ由于二维转台俯仰转动范围有限ꎬ因此ꎬ子阵方向图测试结果俯仰面只能测试ʃ３０ʎ内的方向图ꎮ实验结果表明:１)该形式微带天线为线极化ꎬ功率容量满足项目要求ꎬ且体积小ꎬ可以满足在阵面上所占面积足够小的要求ꎬ增加了高次模的截止深度ꎬ减少了高次模的场对频率的敏感度及在总辐射场中所占的比例ꎬ展宽了辐射带的带宽ꎮ图２１㊀子阵测试场景图２２㊀子阵方向图测试结果(ｆ０－１０００ＭＨｚ)图２３㊀子阵方向图测试结果(ｆ０)图２４㊀子阵方向图测试结果(ｆ０＋１０００ＭＨｚ)㊀㊀２)该形式微带辐射单元具有良好的端口匹配特性ꎮ子阵电压驻波比仿真与实物测试结果一致ꎬ有源单元电压驻波比的仿真结果与实际测试结果也基本可比拟ꎮ３)该形式微带辐射单元具有良好的辐射特性ꎮ有源单元方向图的仿真结果和实际测试结果一致ꎬ波束宽度均为:Ｈ面波束宽度大于９０ʎꎬＥ面波束宽度大于２５ʎꎮ该形式微带辐射单元剖面低ꎬ重量轻㊁成本低适合大型相控阵天线使用ꎮ１８火控雷达技术第４８卷５　结束语本文在总结研究背景的基础上对微带相控阵天线进行了研究ꎬ从方案设计出发ꎬ在仿真软件中设计所需的仿真模型ꎬ优化仿真后所得的结果可以满足预先设定的技术指标ꎬ完成了子阵加工制作以及电气性能测试ꎬ测试结果达到了预期目标ꎬ对设计方法进行了验证ꎮ参考文献:[１]㊀曾高强.有源相控阵雷达低截获概率波形研究[Ｄ].成都:电子科技大学ꎬ２０１１.[２]㊀刘琼.低截获概率雷达技术及性能评估方法研究[Ｄ].西安:西安电子科技大学ꎬ２０１５.[３]㊀樊星.相控阵列天线综合宽角度扫描[Ｄ].成都:电子科技大学ꎬ２０１６.[４]㊀ＳＩＬＶＥＲＳ.ＭｉｃｒｏｗａｖｅＡｎｔｅｎｎａＴｈｅｏｒｙａｎｄＤｅ￣ｓｉｇｎ[Ｍ].ＭＩＴꎬＲａｄ.Ｌａｂ.ꎬ１９７９.[５]㊀ＳＣＨＥＬＫＵＮＯＶＳＡ.ＡＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＴｈｅｏｒｙｏｆＬｉｎｅａｒＡｒｒａｙｓ[Ｊ]ＢｅｌｌＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｉｃａｌＪｏｕｒ￣ｎａｌꎬ１９４３:８０￣１０７.[６]㊀ＤＯＬＰＨＣＬ.ＡＣｕｒｒｅｎｔＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｏｒＢｒｏａｄ￣ｓｉｄｅＡｒｒａｙｓＷｈｉｃｈＯｐｔｉｍｉｚｅｓｔｈｅＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐＢｅｔｗｅｅｎＢｅａｍｗｉｄｔｈａｎｄＳｉｄｅｌｏｂｅＬｅｖｅｌ[Ｊ].Ｐｒｏｃ.ＩＲＥꎬＶｏｌ.３４ꎬ１９４６ꎬ３５(６):３３５￣３４５. [７]㊀ＴＡＹＬＯＲＴＴ.ＤｅｓｉｇｎｏｆＬｉｎｅＳｏｕｒｃｅＡｎｔｅｎｎａｓｆｏｒＮａｒｒｏｗＢｅａｍｗｉｄｔｈａｎｄＬｏｗＳｉｄｅｌｏｂｅｓ[Ｊ].ＢｅｌｌＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｉｃａｌＪｏｕｒｎａｌꎬ１９６８ꎬ４７:６２３￣６４０.(上接第７５页)[６]㊀ＴＵＩＮＳＴＲＡＴＲ.ＲａｎｇｅａｎｄＶｅｌｏｃｉｔｙＤｉｓａｍｂｉｇ￣ｕａｔｉｏｎｉｎＭｅｄｉｕｍＰＲＦＲａｄａｒｗｉｔｈｔｈｅＤＢＳＣＡＮＣｌｕｓｔｅｒｉｎｇＡｌｇｏｒｉｔｈｍ[Ｃ].ＩＥＥＥＮａｔｉｏｎａｌＡｅｒｏ￣ｓｐａｃｅａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＯｈｉｏＩｎ￣ｎｏｖａｔｉｏｎＳｕｍｍｉｔꎬ２０１６:３９６￣４００.[７]㊀ＡＨＮＳꎬＬＥＥＨꎬＪＵＮＧＢＷ.ＭｅｄｉｕｍＰＲＦＳｅｔＳｅｌｅｃｔｉｏｎｆｏｒＰｕｌｓｅｄＤｏｐｐｌｅｒＲａｄａｒｓＵｓｉｎｇＳｉｍ￣ｕｌａｔｅｄＡｎｎｅａｌｉｎｇ[Ｃ].ＩＥＥＥＲａｄａｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅꎬ２０１１:０９０￣０９４.[８]㊀连晓锋ꎬ汤子跃ꎬ朱振波ꎬ汪先超ꎬ席秋实ꎬ乔宁.机载相控阵ＰＤ雷达的ＭＰＲＦ设计与选择[Ｊ].现代防御技术ꎬ２０１６ꎬ４４(４):１２９￣１３５. [９]㊀ＨＵＧＨＥＳＥＪꎬＡＬＡＢＡＳＴＥＲＣＭ.ＭｅｄｉｕｍＰＲＦＲａｄａｒＰＲＦＯｐｔｉｍｉｓａｔｉｏｎＵｓｉｎｇＥｖｏｌｕｔｉｏｎ￣ａｒｙＡｌｇｏｒｉｔｈｍｓ[Ｃ].ＩＥＥＥＲａｄａｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅꎬ２０１３:１９２￣１９７.[１０]㊀ＸＩＡＸＧ.ＤｏｐｐｌｅｒＡｍｂｉｇｕｉｔｙＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＵｓｉｎｇＯｐｔｉｍａｌＭｕｌｔｉｐｌｅＰｕｌｓｅＲｅｐｅｔｉｔｉｏｎＦｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓ.Ａｅｒｏｓｐ.Ｅｌｅｃｔｒｏｎ.Ｓｙｓｔ.ꎬ１９９９(３５):３７１￣３７９.[１１]㊀马杰ꎬ王永良ꎬ谢文冲.机载预警雷达ＭＰＲＦ优化方法研究[Ｊ].空军预警学院学报ꎬ２０１８ꎬ３２(５):３３１￣３３６.[１２]㊀ＫＩＮＧＨＯＲＮＡＭꎬＷＩＬＬＩＡＭＳＮＫ.ＴｈｅＤｅｃｏｄ￣ａｂｉｌｉｔｙｏｆＭｕｌｔｉｐｌｅ￣ＰＲＦＲａｄａｒＷａｖｅｆｏｒｍｓ[Ｃ].ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＲａｄａｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅꎬ１９９７. [１３]㊀ＡＬＡＢＡＳＴＥＲＣ.ＰｕｌｓｅＤｏｐｐｌｅｒＲａｄａｒ:Ｐｒｉｎｃｉ￣ｐｌｅｓꎬＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ[Ｍ].ＮＣ:ＳｃｉＴｅｃｈＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇꎬ２０１２.[１４]㊀ＨＵＧＨＥＳＥＪꎬＡＬＡＢＡＳＴＥＲＣＭ.ＮｏｖｅｌＰＲＦＳｃｈｅｄｕｌｅｓｆｏｒＭｅｄｉｕｍＰＲＦＲａｄａｒ[Ｃ].Ｉｎｔｅｒ￣ｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＲａｄａｒꎬ２００３.２８。

基于ADS的微带天线的设计与仿真前言平面倒F天线(PIFA,Planar Inverted F Antenna)主要应用在手机终端中，由于其体积小、重量轻、成本低、性能好，符合当前无线终端对天线的要求，因而得到广泛的应用，进行了许多研究工作。

先进设计系统(Advanced Design System)，简称ADS，是安捷伦科技有限公司(Agilent)为适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款EDA软件。

软件迅速成为工业设计领域EDA软件的佼佼者，因其强大的功能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能力（尤其在射频微波领域），而得到了广大IC设计工作者的支持。

ADS可以模拟整个信号通路，完成从电路到系统的各级仿真。

它把广泛的经过验证的射频、混合信号和电磁设计工具集成到一个灵活的环境中，包括从原理图到PCB 板图的各级仿真，当任何一级仿真结果不理想时，都可以回到原理图中重新进行优化，并进行再次仿真，直到仿真结果满意为止，保证了实际电路与仿真电路的一致性。

本设计通过ADS软件对微带天线进行设计，设计了平面倒F天线，即PIFA天线的设计以及利用Hilbert分型结构对天线小型化设计。

论文主要包括：PIFA天线的介绍，ADS软件的使用，PIFA天线的设计以及仿真，优化及结果分析等内容。

论文结构安排如下：第一章绪论；第二章FIFA天线原理及介绍；第三章ADS软件的使用；第四章PIFA天线的设计；第五章仿真优化及结果分析。

第一章介绍了本设计要解决的问题，提出了用ADS软件设计PIFA天线。

第二章详细介绍了PIFA天线的工作原理和Hilbert分型结构的原理。

第三章介绍本次设计主要用到的ADS 相关的功能。

第四章详细的介绍了设计的全过程。

第五章就仿真结果及进一步优化做了详尽的分析。

由于水平有限，设计难免存在漏洞和缺陷，欢迎批评指正。

摘要平面倒F天线(PIFA,Planar Inverted F Antenna)是一种常用的平面天线，平面倒F天线具有体积小，重量轻，低剖面，结构简单，易于加工制作等优点，因此被广泛应用于移动电话等移动通信终端设备上。

相控阵雷达天线模型及仿真邱丽原【摘要】The importance and the main difficulty of simulation of phased array antenna were given. And a modeling and simulating method was proposed. This method used array factor, directional factor and sidelobe suppression factor to re-spectively resolve the problems of beam configurations, antenna gain and the sidelobe and its change of directional dia-gram, and then synthesized. The simulation model after synthesizing was given. This simulation model ensured the theoreti-cal precision, optimized and reduced the steps and quantities of simulating calculations. Using the simulation model, a sim-ulation calculation instance of the radar antenna of AN/SPY-1D of Aegis system was given.%阐述了相控阵天线仿真的重要性，指出了相控阵天线仿真的主要困难。

提出了一种利用阵因子、方向性因子和旁瓣抑制因子分别解决仿真波束形状、天线增益、方向图旁瓣及其变化等3大问题，并进行综合建模和仿真，给出了综合后的仿真模型。

设计一、微带天线仿真设计三角形贴片是微带贴片天线最基本的模型，本设计就是基于微带贴片天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上，设计一个三角形贴片天线，其工作频率为2.45GHz，分析其远区辐射场特性以及S曲线。

一．设计目的与要求1.理解和掌握微带天线的设计原理2.选定微带天线的参数：工作频率、介质基片厚度、贴片模型及馈电点位置3.创建工程并根据设计尺寸参数指标绘制微带天线HFSS模型4.保存工程后设定边界条件、求解扫描频率，生成S参数曲线和方向图5.观察对比不同尺寸参数的微带天线的仿真结果，并分析它们对性能的影响二．实验原理如下图所示，用传输线模分析法介绍它的辐射原理。

设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。

现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。

在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。

在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。

因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。

缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L ≈λ/2。

这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。

矩形贴片天线示意图三．贴片天线仿真步骤1、建立新的工程运行HFSS，点击菜单栏中的Project>Insert HFSS Dessign，建立一个新的工程。

2、设置求解类型（1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。

（2）在弹出的Solution Type窗口中（a）选择Driven Modal。

（b）点击OK按钮。

基于HFSS的微带天线线阵仿真本文将介绍基于HFSS（High Frequency Simulation Software）的微带天线线阵仿真。

我们将确定文章类型为议论文，围绕HFSS技术和微带天线线阵仿真展开论述。

在无线通信领域，微带天线作为一种常见的天线类型，具有体积小、易于集成、易于共形等特点，被广泛应用于各种无线设备中。

为了优化微带天线的性能，常常需要对天线进行仿真和设计。

其中，HFSS是一款广泛使用的三维电磁仿真软件，可以用于微带天线的设计和仿真。

我们来了解一下HFSS的基本原理。

HFSS是一款基于有限元方法的电磁仿真软件，通过建立三维模型，对电磁场进行数值计算和仿真。

使用HFSS进行微带天线线阵仿真时，我们需要建立天线的三维模型，设置材料属性、边界条件和激励源等参数，然后进行计算和后处理。

在微带天线线阵仿真中，选用HFSS技术的原因主要有以下几点。

HFSS 可以精确地模拟电磁场分布和天线性能。

HFSS具有强大的网格划分功能，可以对复杂的微带天线结构进行精确的建模和仿真。

HFSS还提供了丰富的数据处理和可视化工具，方便用户对仿真结果进行分析和优化。

在进行微带天线线阵仿真时，需要注意以下几点。

需要对微带天线线阵的结构进行仔细设计，确保天线的性能符合要求。

在设置材料属性和边界条件时，需要充分考虑天线的实际情况，保证仿真的准确性。

在仿真过程中，需要对计算时间和计算精度进行合理控制，以获得最佳的仿真效果。

通过使用HFSS进行微带天线线阵仿真，我们可以获得以下成果。

我们可以得到天线的辐射特性和阻抗特性等关键性能参数。

我们可以观察到电磁场的分布情况，以及天线在不同频率和不同方向上的性能表现。

我们可以根据仿真结果对天线进行优化设计，提高天线的性能指标，例如增益、波束宽度、交叉极化等。

基于HFSS的微带天线线阵仿真是一种有效的天线设计和优化方法。

通过使用HFSS进行仿真和分析，我们可以快速地获得天线的性能参数和电磁场分布情况，从而更好地理解微带天线的性能和设计要点。

实验4 微带天线设计与仿真实验目的：1.了解矩形微带天线的技术指标和设计方法；2.掌握在ADS的Layout中进行射频电路设计的方法。

实验内容：4.1 微带天线的基础知识4.2 矩形微带天线的设计与仿真4.1 微带天线的基础知识1.微带天线简介微带天线的概念是在1953年提出来的，但在近30年才逐步发展起来，是一种新型天线。

微带贴片天线：在一个薄的介质板基材上，一面覆上金属薄层作为接地板，另一面采用蚀刻的办法做出各种形状的贴片，利用微带或同轴对贴片进行馈电。

微带缝隙天线：在接地板上开各种各样的槽，通过微带线进行馈电。

微带天线一般应用在1～50GHz频率范围，特殊的天线也可用于几十兆赫。

和常用微波天线相比，有如下优点：(1)体积小，重量轻，低剖面，能与载体(如飞行器)共形。

(2)电性能多样化。

不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整；易于得到各种极化。

(3)易集成。

能和有源器件、电路集成为统一的组件。

2. 微带天线的主要技术指标●辐射方向图●方向性系数和天线增益●谐振频率处反射系数●天线效率●带宽●极化特性定义：在相同的辐射功率下，某天线在空间某点产生的电场强度的平方与理想无方向性点源天线（该天线的方向图为一球面）在同一点产生的电场强度平方的比值。

通常取最大辐射方向上的方向性系数作为天线的方向性系数。

定义：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。

3. 微带天线设计思路①根据指标要求和基片参数计算相关参数，如贴片宽度、长度、馈电位置、馈线宽度等。

②在ADS的布局图窗口Layout中初次仿真。

③在原理图窗口Schematic中进行匹配。

④修改Layout，再次仿真，完成天线设计。

基片选择的理由是：陶瓷基片是比较常用的介质基片，其常用的厚度是h＝1.27mm，0.635mm，0.254mm。

其中1.27mm的基片有较高的天线效率，较宽的带宽以及较高的增益。

一种相控阵天线结构的制作方法（最新版3篇）《一种相控阵天线结构的制作方法》篇1相控阵天线是一种高精度的天线技术，可以通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变天线的方向图，实现波束扫描、定位、跟踪等功能。

以下是一种相控阵天线结构的制作方法：1. 设计相控阵天线的阵列结构和尺寸。

根据应用需求，设计相控阵天线的阵列结构和尺寸，包括天线单元数量、排列方式、天线单元尺寸等。

2. 制造天线单元。

根据设计参数，制造天线单元，包括辐射器、馈电系统、相位控制系统等。

天线单元需要具有良好的辐射性能、低噪声系数、高精度的相位控制能力等。

3. 组装相控阵天线。

将制造好的天线单元按照设计方案组装成相控阵天线，包括天线单元的排列、连接、相位控制电路等。

4. 进行相位校准。

由于天线单元之间的相位差异会影响天线的方向图，因此需要进行相位校准，使得天线单元之间的相位差异达到设计要求。

5. 测试和调试。

测试相控阵天线的性能参数，包括方向图、波束宽度、副瓣电平、极化去耦等。

根据测试结果，进行调试和优化，使得天线性能达到设计要求。

综上所述，相控阵天线的制作方法需要包括设计、制造、组装、相位校准、测试和调试等步骤。

《一种相控阵天线结构的制作方法》篇2相控阵天线是一种高精度的天线结构，可以通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状，实现波束扫描等功能。

以下是一种相控阵天线结构的制作方法：1. 设计相控阵天线的阵列单元，包括天线辐射单元和相位控制单元。

天线辐射单元通常采用微带天线或喇叭天线等小型天线，相位控制单元包括移相器和功分器等。

2. 制作阵列单元的PCB 板，将天线辐射单元和相位控制单元集成在一起。

PCB 板需要采用高品质的材料和精密的制造工艺，以保证阵列单元的性能和稳定性。

3. 安装阵列单元，将阵列单元安装在相控阵天线的支架上，并进行机械调整，以确保阵列单元之间的间距和方向一致性。

4. 连接相控阵天线的电源和信号传输线，将阵列单元的信号输出连接到信号处理单元，并将电源输入连接到电源供应器。

要求：利用介质常数为2.2，厚度为1mm ，损耗角为0.0009的介质，设计一个工作在5G 的4X4的天线阵列。

评分标准： 良：带宽〈7%优：带宽〉7%且效率大于60%1微带辐射贴片尺寸估算设计微带天线的第一步是选择合适的介质基板，假设介质的介电常数为r ε，对于工作频率f 的矩形微带天线，可以用下式设计出高效率辐射贴片的宽度W ，即为：121()2r c w f ε-+=式中，c 是光速，辐射贴片的长度一般取为/2e λ；这里e λ是介质内的导波波长，即为：e λ=考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度L 应为：2L L =-∆式中，e ε是有效介电常数，L ∆是等效辐射缝隙长度。

它们可以分别用下式计算，即为：1211(112)22r r e h wεεε-+-=++ (0.3)(/0.264)0.412(0.258)(/0.8)e e w h L hw h εε++∆=-+2.单元的仿真由所给要求以及上述公式计算得辐射贴片的长度L=19.15mm,W=23.72mm 。

采用非辐射边馈电方式，模型如图1所示：图1 单元模型此种馈电方式，可以通过移动馈电的位置获得阻抗匹配，设馈电点距离上宽边的偏移量为dx,经仿真得到当dx=4mm 时，阻抗匹配最好。

另外，之前计算出的尺寸得到的谐振点略有偏移，经过仿真优化后贴片尺寸变为L=19mm,W=23.72mm 。

仿真结果图如图2，图3所示。

3.504.00 4.505.00 5.506.00 6.50Freq [GHz]-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00d B (S (1,1))HFSSDesign1XY Plot 1ANSOFTm 1m 2m 3Curve InfodB(S(1,1))Setup1 : Sw eepName XYm 1 4.9500-10.3381m 2 5.0600-10.1725m 35.0000-26.9508图2 S11参数-200.00-150.00-100.00-50.000.0050.00100.00150.00200.00Theta [deg]-20.00-15.00-10.00-5.000.005.0010.00d B (G a i n T o t a l )HFSSDesign1XY Plot 2Curve InfodB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptive Freq='5GHz' P hi='0deg'dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptive Freq='5GHz' P hi='90deg'图3 增益图从图中可以看出谐振点为5GHz ，计算的相对带宽为2.2%，增益为5.78dB 。