低副瓣
關注創建者：320科技工作室 創建時間：2023-04-22
低副瓣的實例教程
本次設計采用微帶形式，設計一款24GHz雷達天線，天線實現低副瓣，高增益。雷達天線系統多采用一發一收形式，為有效降低收發天線之間的耦合，設計一款蘑菇形隔離結構，有效降低耦合，仿真效果表明，天線性能良好。
關鍵詞：24G雷達 微帶天線 HFSS 低副瓣 高隔離度
1． 天線單元設計
微帶天線通常是在薄介質板一面附著金屬導體作為接地板，另一面加金屬 貼片而形成的。金屬貼片通常是矩形的，也可以是圓形或者其他不規則形狀， 當改變金屬貼片的形狀時，微帶天線的工作頻率、增益、方向性等都會隨之而 改變。常見的微帶天線的饋電方式主要有：通過同軸線在天線背面進行背饋、 通過微帶線在天線側面進行側饋、通過微帶貼片或者波導縫隙在天線背面進行 耦合饋電。微帶天線主要是通過貼片邊緣與接地板之間的縫隙進行電磁輻射的， 因此微帶天線也屬于一種縫隙天線。由于所選取的介質板厚度一般都比較薄， 遠小于波長，因此微帶天線是電小天線。
本次設計采用經典的矩形微帶形式，為了有效調節饋線與天線的阻抗，采用嵌入形式的饋電結構。
圖一 單元結構
圖一是單元結構，單元的優化是重點，關鍵變量是貼片長度L，寬度W，嵌入的長方形長度Ls與寬度Ws，這個大小并沒有具體值，經驗來說，一般是L的三分之一長度，寬度為饋線二到三倍。饋線一般考慮到實際加工，多采用70-100歐姆的微帶線。
饋電端口的設置有一些技巧，一般為了方便優化，采用波端口形式，波端口有嵌入功能，并且是匹配的，這里要嵌入到貼片跟前，優化邊緣阻抗為實數。這里設置優化目標為100歐姆。
二．饋電網絡設計
饋電網絡采用串并聯形式，如下圖。
圖二 饋電網絡
饋電網絡要保證兩個重要指標 其一，四個單元同相位，其二，達到低副瓣抑制電流效果。調相位可以采用微帶線延遲進行調節；低副瓣一般是通過微帶阻抗變換，達到抑制電流的效果。
展開 圖2 天線設計模型
圖3天線S11
圖4 天線3D增益圖
圖5 E面與H面方向圖
圖4和圖5可以知道，線陣的增益在17dBi，副瓣控制在20dB以下，然后將此陣列組合成面陣，如下圖
圖6 平面陣
圖7 波束掃描
根據圖6和圖7可以看到，平面陣列增益約25dBi，在掃描的情況下，-50到50deg范圍內，均可以保持低旁瓣，增益下降在2dB左右，隨著掃描角度的增加，3bB波束寬度有所增加。
總結
本文設計了一款工作在Ku波段的低旁瓣陣列天線，首先設計低旁瓣的線陣，進而組合成面陣，面陣在15.5GHz增益達到25dbi，在50度范圍內，波束實現掃描，并且保持低的旁瓣效果。
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展開 為了有效減低副瓣，采用泰勒綜合功能
上圖可知，在周邊幅度盡量小，中心大，這樣可以有效得到低副瓣。
生成陣列模型，運行仿真。
有源s11如下
副瓣電平-29.8dB，3db波束寬度為4.8deg。
三.實現波束掃描
接下來進行30度掃描只需在參數指定最大方向theta為30deg即可
上圖可知最大方向為30deg 。
CST相對于HFSS軟件來說，占用內存相對較小，上圖是整個模擬情況的日志，仿真總的占用內存約3.2G，網格數量為8864208，仿真總的耗時為1小時6分5秒，使用的是i5的5代4核筆記本。
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展開 基于介質透鏡
介質透鏡可以很好的滿足天線陣列對小型化、高增益、低副瓣、多波束等性能的追求，其基本原理可以借鑒光學透鏡的相關理論來解釋。毫米波透鏡天線與旋轉拋物面或雙曲面等反射面天線作用效果相似，即可以將低增益、寬波束天線饋源輻射匯聚為高增益、筆形波束輻射，從而極大地提高天線的增益，減小了陣列規模，降低副瓣電平。
基于相位補償超表面
利用相位補償超表面實現高增益的機理與介質透鏡類似，只不過介質透鏡是通過改變介質厚度來實現插入相移的調節，而相位補償超表面則是利用周期性結構單元尺寸的改變來實現插入相移的調節，相位補償超表面一般為平板結構，相較于傳統的介質透鏡，具有較好的低剖面特性。
本文基于相位補償超表面技術，充分依托仿真軟件FEKO、HFSS以及CST，開展天線增益提高的仿真實踐，一步步拆解基于相位補償超表面的天線增益提高的實施過程。不同于傳統的科研論文，文章不僅會介紹相關理論、設計以及結果，更會全面介紹設計過程依賴的仿真軟件、如何設置以及源代碼的介紹，幫助讀者在理論理解的基礎上，立即開展仿真實踐，以便快速進入研究狀態。
正文
機理分析
喇叭天線的遠、近場分析
基于FEKO的component Library中喇叭建模模塊，輸入工作頻率，可以一鍵快速建模喇叭天線，饋電端口一波端口進行激勵。
喇叭天線的遠場方向圖以及縱切面的電場分布如圖所示，天線增益為20dB，對比未加開口喇叭的波導（增益為8dB），增益要顯著提高，通過對比喇叭和波導的近場幅相分布，可以一窺其原因。
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關鍵字：微帶天線，陣列，低副瓣，相控陣 HFSS CST
天線設計
天線串饋模型如圖所示：
圖1 天線模型示意圖
首先選擇合適的基板材料，選擇介質基板材料是通常從以下幾個方面考慮：
1.選擇合適的相對介電常數。
微帶天線的尺寸受介電常數影響很大，相對介電常數越大，微帶天線的尺寸就越小，且天線的帶寬也會降低，對制造公差要求較高。
基于介質透鏡
介質透鏡可以很好的滿足天線陣列對小型化、高增益、低副瓣、多波束等性能的追求，其基本原理可以借鑒光學透鏡的相關理論來解釋。毫米波透鏡天線與旋轉拋物面或雙曲面等反射面天線作用效果相似，即可以將低增益、寬波束天線饋源輻射匯聚為高增益、筆形波束輻射，從而極大地提高天線的增益，減小了陣列規模，降低副瓣電平。
本次設計采用微帶形式，設計一款24GHz雷達天線，天線實現低副瓣，高增益。雷達天線系統多采用一發一收形式，為有效降低收發天線之間的耦合，設計一款蘑菇形隔離結構，有效降低耦合，仿真效果表明，天線性能良好。
關鍵詞：24G雷達 微帶天線 HFSS 低副瓣 高隔離度
1． 天線單元設計
微帶天線通常是在薄介質板一面附著金屬導體作為接地板，另一面加金屬 貼片而形成的。
為了有效減低副瓣，采用泰勒綜合功能
上圖可知，在周邊幅度盡量小，中心大，這樣可以有效得到低副瓣。
生成陣列模型，運行仿真。
有源s11如下
副瓣電平-29.8dB，3db波束寬度為4.8deg。
三.實現波束掃描
接下來進行30度掃描只需在參數指定最大方向theta為30deg即可
上圖可知最大方向為30deg 。
