24GHz微带阵列天线设计

广东工贸职业技术学院 浙江大学深圳研究院 钟催林

浙江大学深圳研究院 李振林

广东工贸职业技术学院 曾洁琼

1.微带天线的设计

微带天线的工作原理与设计：

由于对于大多数工程应用来说，分析设计微带天线，一般利用简单的传输线模型和空腔模型。因此本设计，可以先依据传输线模型和空腔模型给出的计算公式以及工程经验公式算出一个天线单元的基本参数。一些相关的经验公式如下：

式中L为天线的长度，W为天线的宽，c为光在真空中的速度，εe为天线基板的等效介电常数，εr为基板介电常数。

依据上述公式得出天线单元的相关参数后，我们可以使用高频电磁数值仿真软件(本设计使用的是基于有限元法的HESS软件)和微波电路设计软件（本设计采用基于矩量法的ADS软件）对结果进行验证优化。此设计中，介质基片我们选取的是Tconic RF-35，相对介电常数为3.5，基片厚度为0.5mm。由于采用小的介电常数可以减小谐振腔中储存的电磁能量，从而降低Q值，展宽带宽。另外，基片厚度太厚的话会激励起多的表面波模式，会降低需要方向的辐射，并且改变方向性。所以一般毫米波段微带天线都会选取低介电常数的薄介质基片。

2.天线单元设计

天线单元设计如图1所示。

天线单元采用微带馈电的方式，其中天线的宽W和长L可以根据前面所述的经验公式初步计算。另外天线设计的输入阻抗也要合理，一般不能太大也不能太小：太大，为了阻抗匹配，馈电微带线的阻抗也要大，微带馈线的宽带就会过小，这会给加工精度带来困难；过小，馈电微带线宽度会较大，馈线引入的耗散将会加大，另外也不利于整个阵列的阻抗匹配。此设计中，选取天线输入阻抗为100Ω。天线输入阻抗主要参数q和L的尺寸相关。馈线宽度可以采用微波电路仿真软件ADS计算得出。所有单元天线的参数可以可以通过电磁仿真软件HFSS仿真优化，最后得到满足要求的一组参数；该项目中我们的设计参数分别为：L=3.0mm，W＝3.62mm，t=0.3mm，q=1.0mm，S=0.14mm。

图1 天线单元结构图

3.天线馈电网络及阻抗匹配网络设计

该设计的微带天线阵列单元个数为4×14个，采用串并结合的馈电方式，整个天线采用背馈的方式，天线通过同轴探针与电路相连。同轴探针采用50Ω的特性阻抗。然后采用T形结构将输入功率分成两路，然后采用四分之一波长的微带线进行阻抗匹配。可以采用T形结构功分器的阻抗关系，以及四分之一波长阻抗变换器的阻抗关系可以得出各条微带馈线特性阻抗，得出每条微带线的特性阻抗后即可用ADS算的它们的宽度。

图2 阵列天线结构图

3.1 天线阵列参数的优化设计

整个天线阵列结构如图2所示，天线阵列结构为对称结构。每一行可以只计算仿真一边，优化各个参数使其匹配。并得出输入阻抗，再在ADS中根据输入阻抗值仿真优化出匹配网络中参数的基本值。所以仿真优化结合HFSS和ADS将加快仿真速度。根据优化出的一组参数画出AUTOCAD图纸，再加工成天线实物。

图3 阵列天线的S11参数仿真和测试曲线

图4 阵列天线仿真方向图

该阵列天线的S11参数仿真和测试曲线如图3所示，频率23.35GHz-24.6GHz内S11参数小于-10dB，仿真和测试结果基本一致；同时天线辐射方向图实验和仿真结果基本一致，其中方位角为7度左右，仰角为28度左右；天线增益大约为21dBi。

4.结语

本文以基本的微带天线设计理论为基础，借助于先进的仿真工具HFSS和ADS软件，设计出了一种24GHz频段天线阵，其性能基本上满足了应用要求。