微带栅格阵列天线分析*

温 彬

（中国电子科技集团第十研究所，四川 成都 610036）

微带栅格阵列频率扫描天线与相控阵扫描天线和机械扫描天线相比，具有成本更低、结构更简单和馈电更方便等一系列特点，被广泛应用于雷达和通信中。

Kraus[1-2]在1964年首先提出栅格阵列天线，并详细论述了其频率扫描的原理，结构如图1所示。不同的是，他当时采用的是金属杆栅格。之后，微带线结构逐渐代替了金属杆。R. Condi[3]、Nakano[4]、L.T. Hildebrand[5]、K.D. Palmer[6]等人相继对微带的栅格阵列天线就如何提高求解速度和精度等方面做了大量研究。

尽管如此，要从理论上严格计算栅格的尺寸极其困难。本文将结合前人的研究，提出一些工程上的近似处理办法和设计，并提出仿真中出现的一些现象，作为调节天线参数的参考，以满足不同的应用和指标要求。

1 天线频率扫描原理

如图1所示，如果在中心2处馈电，将形成分裂在边射左右两边的方向图。如果在2的微带线端点处馈电，将形成指向法向的方向图。只有将2短路，在1或者3处馈电，才能形成未分裂的且单一边射的方向图，且波束指向随频率的变化而变化，如图2所示。

图2 栅格天线主瓣波束指向

在微带栅格阵列天线的设计中，最重要的两个参数是矩形栅格单元的两条边的长度，即长边l和短边s。由于对称性，长边上的电流等幅反向，辐射功能被抵消，主要负责传输；短边则同时具备传输和辐射的功能。

如图2所示，在端口1处馈电，2处短路，3处匹配，形成边射方向图。波束指向角度φ随栅格参数l和s变化的函数为：

其中，px为沿栅格长边的相对相速，px= vx/c ； py为沿栅格短边的相对相速，py= vy/c 。m为整数，一般取为1。当l和s固定时，波束方向φ会随着波长λ的变化而变化，从而实现频率扫描。

根据参考文献[4-5]的经验，栅格单元s=0.447λe，l α=0.983λe，其中为等效介质波长， 的取值在1.12到1.19之间，相对相速p=α。

2 泰勒线源优化法

除了栅格单元大小外，微带线的宽度也是一个很重要的参数。泰勒线源法可以优化综合出线阵中每个单元的电流分布，从而达到优化阵因子的目的。微带栅格天线可以近似看成一个二维的平面线阵。本文将采用泰勒线源法对该天线俯仰方向上的微带线宽度进行优化，综合出俯仰方向上低副瓣窄波束的方向图。

以一个1×4的栅格线阵天线为例，如图3所示。介质板相对介电常数εr为2.2，高度为30 mil（0.762 mm）。通过经验法，选取α=1.15，可以初步设定栅格单元的尺寸，即l=13.9 mm，s=6.3 mm。

图3 1×4栅格线阵

水平方向上，微带线宽度为0.5 mm；垂直方向上，中间的微带线宽，两边窄。采用5阶泰勒线源法，副瓣目标值设为-25 dB。这5条微带线上的电流比值为0.25:0.66:1:0.66:0.25，对应的线宽分别为0.1 mm、1.4 mm、2.7 mm、1.4 mm、0.1 mm。

采用HFSS软件对该线阵进行仿真，结果如图4所示。实线为E面，虚线为H面，增益达到了12.1 dB，在H面上波束宽度为17.7°，副瓣为-21.7。如果不采用泰勒线源法，副瓣则为-12.6 dB。结果表明，泰勒线源法具有有效性。

3 栅格阵列天线仿真分析

设计要求：在Ku频段内（ flow～ fhigh，这里flow和 fhigh分别表示要求频段的低频和高频值），实现方位面上±35°的波束扫描，要求增益≥23 dBi，副瓣电平≤-20 dB，方位面上波束宽度≤3°，俯仰面上波束宽度≤15°。

根据设计要求，本文设计了一个91×7的微带栅格阵列天线，其介质板参数与第2节相同，即εr=2.2，h=0.762 mm，栅格尺寸按经验取初值为l=13.9 mm，s=6.3 mm，并将对其进行优化。同时，采用泰勒线源法优化阵列中栅格单元窄边微带线宽度，天线模型如图5所示。馈电点在最右端，方位面为θ=90°即XOY面，俯仰面为φ=φ0（最大波束指向）的截面。

经过仿真优化，最终栅格单元尺寸为l=6.75 mm，s=13.25 mm，其方位面上扫描结果如图6所示。随着频率的降低，波束指向角度变大，从 fhigh扫描到 flow，实现了最大波束指向从2°到38°。如果加上馈电切换开关，即可以实现此频段内±38°的扫描。频段内，可实现增益在23.3 dBi到26.8 dBi之间，如图7所示。可见，采用泰勒线源优化法降低了天线的副瓣电平，其和波束宽度满足设计要求。

图4 1×4栅格线阵方向图

图5 91×7栅格天线模型

图6 方位面上波束扫描

图7 方位面上扫描增益

在中心频率上的俯仰面（0φ=18°）方向图，如图8所示。波束宽度约12°，副瓣达到了-28 dB，也说明了泰勒法的有效性。

图8 俯仰面方向图（16.5 GHz）

本文通过仿真发现：

（1）增加相对介电常数rε，可以拓宽扫描角度范围，但同时会引起增益下降；

（2）增加介质板厚度h，可以提高增益，降低副瓣，但同时会增加3 dB的波束宽度；

（3）增加栅格单元尺寸l或s，可以将图6中的扫描曲线向左偏移，0°为极限，此时增益降低较多；反之，减少l或s，扫描曲线向右偏移，可实现大角度扫描；

（4）增加s或增加Y向上阵列的规模，可以降低方位面上波束宽度。

通过调节这些值，可以一定程度上满足不同的指标要求。

4 结 语

微带栅格频率扫描天线结构简单，馈电方便，成本低廉。基于这一系列特点，本文对其展开研究，实现了其在Ku波段18%带宽范围内的频率扫描，扫描范围超过±35°，并采用泰勒线源优化方法实现了天线的低副瓣。后续的研究工作将主要包括抑制扫描边缘频率的增益下降，降低大角度扫描时的旁瓣电平，优化栅格单元长边微带线宽度等。

参考文献：

[1] Kraus J D.A Backward Angle-Fire Array Antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1964(12)：48-50.

[2] Kraus J D,Carver K R.Wave Velocities on The Grid Structure Backward Angle-Fire Antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1964(07)：509-510.

[3] Conti R,Toth J,Dowling T.The Wire Grid Microstrip Antenna[J].IEEE Trans.Antennas Propagat,1981,29(01)：157-166.

[4] Nakano H,Oshima I,Mimaki H,et al.Numerical Analysis of a Grid Array Antenna[C].ICCS'94,1994：700-704.

[5] Hildebrand L T,McNamara D A.Verification of Spatial Domain Integral-equation Analysis of Microstrip Wire-grid Arrays[J].IEEE Proc. Microw. Antennas Propag.,1995,142(04)：314-318.

[6] Palmer K D,Cloete J H.Synthesis of the Microstrip Wire Grid Array[C].10th International Conference on Antennas and Propagation,1997：14-17.