内容发布更新时间 : 2024/5/4 14:38:35星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

一种微带栅格天线的优化设计

陈 锴1 陈 星2

（1.中国电子科技集团第十研究所，四川 成都610036；2.四川大学电子信息学院，四川 成都610064） 摘 要：设计了一种微带栅格天线,该天线是由若干微带辐射单元和传输线单元组成的微带阵列天线，可以直接50Ω同轴线馈电。天线工作中心频率2.45GHZ,为实现阻抗匹配以及高增益特性，采用并行遗传算法和数值算法对微带栅格天线结构进行了优化设计。根据设计结果加工制作了原型天线并进行了测试，测试结果表明该微带栅格天线的增益达到了18.3dBi。 关键词：微带栅格天线；优化设计；并行遗传算法

A Microstrip Grid Array Antenna Optimized by a Parallel Genetic Algorithm

Chen Kai1 Chen Xing2

（1．Southwest China Institute of Electronic Technology,，Sichuan，Chengdu 610036；

2．College of Electronics and Information Engineering，Sichuan University，Sichuan，Chengdu 610036） Abstract: A microstrip grid array antenna is presented. This antenna is a microstrip array composed of a number of microstrip radiators and microstrip transmission lines, and that it can be directly fed from a 50Ω coaxial line without an impedance transformer. For achieving a high gain and impedance match at its working frequency of 2.45GHz, its structural parameters were optimized making use of a parallel Genetic Algorithm (PGA) in conjunction with computational method on a cluster system. A prototype antenna was fabricated and test. Results of the measurement show the designed microstrip grid array antenna measures a gain of 18.3dBi with good impedance match..

Key words: Microstrip grid array antenna; Optimized design; parallel genetic algorithm

格阵列上的箭头方向代表电流流向，栅格单元阵列

1 引言

所有短边上电流相位都保持一致，为主要辐射单元。 栅格天线是一种由栅格单元组阵形成的天线，

John.Kraus于二十世纪六十年代首次提出这类新结构天线。栅格天线具有结构简单，低剖面，馈电方便等特点，同时具有高增益﹑波束集中﹑低副瓣﹑线极化等辐射特性[1]。传统栅格天线的基本形式如图1所示，采用金属杆制作矩形栅格单元，每个矩形单元的尺寸取值为长一个波长，宽二分之一波长（???2）。金属接地面与栅格单元阵列平行，接地面与栅格单元之间距离大约是四分之一波长，同轴馈线穿过接地面对栅格单元网络中心馈电。图中栅

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图1 栅格天线基本结构

随着天线技术的发展，栅格天线的研究不断展开。微带线的出现，替代了传统金属杆栅格，微带栅格结构随即出现，同时研究者针对栅格天线的辐射特性、网格形式、馈电方式以及天线数值计算等方面进行了相关分析研究[2-4]。

本文中将对一种微带结构的栅格天线进行优化设计，天线工作中心频率2.45GHz，实现天线的高增益辐射特性。

2 微带栅格天线结构

微带栅格天线示意图如图2所示，图中深色区域是金属层，浅色区域为介质基板，介质基板采用介电常数?r?2.65，厚度h1?1mm的聚四氟乙烯材料。

栅格阵列由矩形微带单元组阵构成，微带单元分别有X方面和Y方面两种微带线，X方面微带线尺寸为Wx~Lx，Y方面微带线尺寸为Wy~Ly，根据栅格天线的辐射原理，电流在栅格的X方面的单元上电流相位一致，因此微带栅格天线的主要辐射单元沿X轴方向放置的微带线单元，共有13个单元，每个其余沿Y轴方向微带线单元可看作传输线，同时起到传输能量和阻抗匹配的作用。因此X方面的微带线相对Y方面的微带线较宽，可以看作是单元的微带贴片天线，而Y方面的微带线是微带传输线和馈电网络的作用，保证了每个微带贴片单元正常工作。

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图2 微带栅格天线结构参数

微带栅格阵列与反射面之间的空气层厚度为h2，通过调节空气层的厚度，可以改变天线的远场辐射特性。h2在初始设置中，一般设为四分之一波长。天线采用特征阻抗50欧姆的同轴线直接对天线馈电，同轴线内导体穿过金属接地面﹑空气层及介质层，直接与基板上的金属层接触，外导体和金属接地面连接。天线的馈电点选在微带栅格单元的中心A点。

3 微带栅格天线优化设计

微带栅格天线中，X方面微带辐射单元的参数Wx、Lx决定了天线的工作频段；Y方面微带线的宽度Wy代表了微带传输线的特征阻抗，而同轴线特征阻抗为50欧姆，他们之间的阻抗是否匹配决定了天线的带宽特性；同时空气层的厚度h2影响天线的辐射特性。因此为了得到良好的带宽特性以及高增益，需要对上述微带栅格天线的参数进行优化设置。

遗传算法作为一种随机的、非线性的优化算法，已经广泛应用到各类天线设计中[6]。采用遗传算法结合数值算法对13个栅格单元的微带栅格天线结构实施了优化设计，同时为节约设计时间，利用并行计算机系统进行操作。天线的工作中心频率根据需要选取在2.45GHz，分别对Wx，Lx，Wy，Ly，h2等参数进行优化。

优化设计中，适应度函数的定义如下：

Fitness?C1?Gain?C2?S11 （1） 其中，Fitness是适应度函数值， Gain和S11分别代表天线在谐振频率下的辐射增益以及端口处的反射系数。C1，C2 两个加权因子的取值分别为0.03和0.02，代表优化同时兼顾了增益和匹配特性。

通过自动优化，最后得到性能优良的天线参数，根据优化结果，我们制作了实际的微带栅格天线，如图3所示：

如图所示，采用四个优化设计得到的微带栅格天线单元组成平面阵列，天线底部采用一整块的金属接地面，接地面与微带栅格单元之间用聚四氟乙烯圆柱固定，保证两者间距一致。接地面开有四个通孔，四根50欧姆同轴线内导体穿过接地面的通孔，分别对四个栅格天线单元进行馈电。

图3 四个栅格天线阵列照片

4 天线仿真和测试结果分析

天线加工完成后,对其主要电性能进行了测试。输入端的反射系数由矢量网络分析仪测得，而辐射方向图和增益在微波暗室通过天线测试系统测得。下面对仿真结果和实际测量的数据进行对比分析。

图4是单个微带栅格天线输入端仿真和测量反射系数曲线，其中虚线是仿真得到的天线反射系数曲线，实线是测量得到的反射系数曲线，两条曲线基本相近，S11<10dBi的带宽为4.5%(2390MHz~2500MHz)。天线体现了良好的匹配特性，带内最大S11达到-15dBi，同时也满足天线中心频率工作在2.45GHz的设计目标。

图4 天线仿真和测试S11曲线

图5是单个栅格天线在频率为2.45GHz时仿真辐射方向图和测试辐射方向图的对比，其中图1-5(a)是XZ平面，图5(b)是YZ平面。图中虚线代表辐射方向仿真值，实线代表测试值。可以清楚地看到，实测方向图和仿真方向图主瓣吻合良好，且方向图对称性较好。天线3dB波束宽度为25o，前后比达到了40dB。采用标准天线测试计算得到天线的增益为18.3dBi，体现了天线高增益性能。本文采用13个辐射单元所获增益高于文献[5]中25个辐射单元金属杆状栅格天线的增益18.1dBi，无疑具有更高的辐射效率。

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图5 天线辐射方向图

5 小结

本章节主要针对一种微带栅格天线进行了优化设计。根据优化设计得到的结果加工制作了实际的微带栅格天线，并对天线的带宽和增益进行了测量。测量结果表明，天线工作中心频率2.45GHz，匹配良好，带宽达到4.5%，同时天线2.45GHz频点处3dB主瓣宽度为25o，增益达到了18.3dBi，高于传统栅格天线25个单元的增益，实现了高增益特性。

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