平面印刷天线的设计

编号

潍坊学院

毕业设计技术报告

课题名称：平面印刷天线的设计

学生姓名：胡郭伟

学号： 11021340107

专业：通信工程

班级： 2011级1班

指导教师：李厚荣

2015年6月

平面印刷天线的设计

【摘要】：在本世纪，电子技术和无线通信技术得到了迅速发展。作为现代无线通信系统中的重要组成部分，它们经常需要具有小天线，多频带和宽带特性。目前，由于采用先进的印刷电路板技术和工艺，印刷天线，因为易加工，重量轻，低轮廓，容易与有源器件和微波电路集成的特点已经广泛的关注和研究。微带贴片天线具有良好的指向性图案，在双极化和圆极化方面容易实现，适合阵列的组合从而得到一个高增益;印刷单极和隙缝天线全向性好，容易实现多频带和宽带特性，这些平面印刷天线被广泛用于雷达，卫星通信，移动通信和其他通信设备之间。因此，对平面印刷天线的研究有着很大的价值和实际意义。在本文中，结合科研的需要和各种无线通信系统的需求，对双极化微带阵列天线和多频带和宽频带平板天线的印刷的相关几个问题展开了研究。本文先是对国内天线技术进行了分析，了解了一下国内外对平面印刷天线的研究的情况，并且了解了对该技术研究的现状，并且重点研究了多层双极化微带阵列天线技术和多频带平面印刷天线设计，并对它们做了一系列的研究的分析。对多层双极化未带阵列天线技术主要分析了单脉冲技术、双极化微带天线、以及阵列的排布方式和其方向图的估算方面。最后并且对结果做了分析。在多频带平面印刷天线设计方面主要讲解了多频段环形单极天线、加载曲折线枝节的矩形环天线和双频段U形环天线方面，并且做了一系列的研究，展示研究结果。研究了多频带平面印刷天线的相关方面。通过在矩形环内部加载直线枝节和曲折线枝节，设计出两种三频带矩形环单极天线，可用于WLAN/WiMAX 2.5/3.5/S.SGHz无线通信。

【关键词】：平面印刷天线微带天线阵列天线单脉冲多频段天线

PLANAR PRINTED ANTENNA DESIGN

Abstract: In this century, electronic technology and wireless communication technology has been developing rapidly. As modern wireless communication system, an important part, they often need to have a small antenna, a multiband and wideband characteristics. Currently, the use of advanced printed circuit board technology and processes, printed antenna, because easy processing, light weight, low profile, easy to integrate with active devices and microwave circuit characteristics have been widespread concern and research. Microstrip patch antenna having excellent directivity pattern, in terms of dual-polarization and circular polarization easy to implement, for the combination of the array to thereby obtain a high gain; printed monopole slot antenna and omni-directional, and easy to realize multi-band and broadband characteristic, which is widely used in print between the radar antenna, satellite communications, mobile communications and other communications devices. Therefore, the study of planar printed antenna has a great value and practical significance. In this paper, combined with the needs of research needs and various wireless communication systems, several issues related dual-polarized microstrip array antenna and multi-band and wideband planar antenna printed launched a study. This article first domestic antenna techniques are analyzed, learned about the situation at home and abroad to study planar printed antenna and understand the current situation of the research of technology, and focuses on the multi-layer dual-polarized microstrip antenna array technology and multiple band planar printed antenna design, and they did a series of studies of the analysis. Not multilayer dual polarized antenna array technology with mainly analyzes the single-pulse technology, dual-polarized antenna, and estimating aspects of the way the array arrangement and its pattern. Finally, and the results were analyzed. In the multi-band planar printed antenna design mainly on the multi-band monopole antenna ring, loaded meander line stub rectangular loop antenna and dual-band U-shaped loop antenna connection, and did a series of studies showing the results. We study the relevant aspects of the multi-band planar printed antenna. Through the rectangular ring inside and meander line loaded straight stub minor, designed two tri-band monopole antenna rectangular ring, can be used to WLAN / WiMAX 2.5 / 3.5 / S.SGHz wireless communications.

Key words: Planar printed antenna Microstrip antenna Array Antenna Single pulse Multi-band antenna

目录

摘要 (1)

Abstract (3)

第一章绪论 (1)

1.1研究的背景及意义 (1)

1.2国内外研究现状 (2)

第二章多层双极化微带阵列天线技术 (8)

2.1单脉冲技术的基本原理 (8)

2.2双极化微带天线单元 (9)

2.3阵列的排布方式 (9)

2.4阵列方向图估算 (12)

2.5天线阵列设计与分析 (15)

第三章多频带平面印刷天线设计 (20)

3.1多频段环形单极天线 (20)

3.2加载曲折线枝节的矩形环天线 (22)

3.3双频段U形环天线 (27)

第四章结束语 (36)

致谢 (37)

参考文献 (38)

1.绪论

本章介绍的背景和相关研究的意义;大体上国内外相关学科的发展状况进行系统的审查;概述了国内外研究现状和应用双极化单脉冲阵列天线方面;总结了多波段天线的方法和装置;总结宽带印刷天线的发展和当前状态。

1.1研究背景和意义

在今天电子科学与技术每天都在不断的发展当中，各种各样的新技术在不断的涌现出来。特别是最近的几十年中，电路板印刷技术和微电子技术的飞速发展，使得其相关一系列的器件得到了研究和发展。微型处理器(MCU）、超大规模集成电路(VLSIC）、数字信号处理器(DSP)等集成电路的快速发展，使通信设备更加小型化和智能化。例如，在20世纪90年代时期，体型巨大的大哥大在中国被广泛的使用，但是经过多年想过技术的研究和发展，现在的手机大小已经比最开始的大哥大缩小了很多。与此同时移动终端的功能发展出许多种，如视频通话，WiFi无线上网，蓝牙通信，手机刷卡等。在民用通信的迅速发展和国际形势没有太大变化的背景下，世界各国军备不断更新，军用通信设备正面向向高性能、高尖端的方向发展。并且在此同时，作为电子通信设备收发信号的关键部件之一，天线在其设计方面也因此遭遇到了前所未有的机遇和挑战。

印刷电路板技术和工艺进一步推动发展到天线的开发。小型无线电子装置趋势类型需要天线具有低轮廓，成本低，体积小等特点。通过借助印刷电路板的工艺技术，所述这些要求可以容易地实现。由于印刷电路板加工容易，加工周期短，重量轻，成本低。利用天线电路板制造的许多天线中，微带天线无疑是一个天线的最广泛使用的形式。它的适用范围跨越多个领域，例如飞机上的共形微带天线，雷达单脉冲阵列天线，微带相控阵天线等等。此外，随着无线通信技术的快速发展，基于印刷电路板的加工工艺，印刷单极天线和平面印刷天线等一系列平面的印刷天线，因为它们很容易实现多频段和宽带的特点得到了迅速发展，每年都有大量文献报道出平面印刷天线。因此，平面印刷天线深入研究是一项非常有意义的工作。在本论文文中，结合科研课题以及各种无线通信系统的要求，研究了雷达和无线通信的多频带天线的单脉冲天线的的相关方面。

对空间动态的信息进行快速准确的获取和判定在军用领域被迫切的需求，因此雷达技术在此条件下产生了。目前，雷达已经在地面，空中，海上和外空间上被管饭的应用。地面上的雷基地向上主要用于飞机或其他空间目标检测、定位和跟踪。经过雷达侦察到目标后，需要雷达对其侦查到的目标要连续的跟踪。在跟踪雷达跟踪目标的同时，需要计算出的角度位置数据并且传达跟跟踪系统，方便进行瞄准瞄准。自20世纪40年代后期，单脉冲技术在军队中得到很广泛的应用，它在空中和导弹防御系统的一个重要的角色。在单脉冲测角系统，可以从空间角度信息，测量角速度更快的数据速率，高角精度的目标回波脉冲。因此，今天的主动导引头和设备，几乎都是通过单脉冲测角技术开发。

此外，单脉冲三维成像技术在制导雷达上也有了广泛的应用，它可以完成目标的传入探测，跟踪和识别，并拦截导弹控制整个过程，直到摧毁来袭目标。

作为单脉冲雷达的关键部件之一，单脉冲天线设计是非常重要的。为了允许单脉冲接收机的获取更多详细信息，为了提高其灵敏度，分辨率和方位分辨率等功能，有必要需要使用具有双偏振、宽带、高隔离度、低交叉极化电平、高效率的天线。在过去，这一天线大多采用波导缝隙阵列来实现的，因为它的技术比较成熟，效率高，可以达到很好的结束端口隔离和交叉极化特性。但它的个体是比较重的、需要很长的处理时间、处理程序复杂。特别是对于被用于卫星和导弹上时容易受空间，重量等的限制，不能需要太大的体积。此外，在多极化特性方面波导裂缝阵列很难实现。但是多极化技术允许单个脉冲系统获得更多的信息，它可以配对目标距离和方位做出更准确的判断。例如，作为多极化天线的一种，在现代无线通信和军事应用方面多极化先天已经被广泛的应用。双极化天线通常是指接收两个正交极化的电磁波的天线。因为极化天线发射两个信号具有相同的带宽，与单纯线极化天线相比具有更好的实际价值，比如收发器的集成、频率复用、极化分集等。目前，国内使用微带天线来实现这些功能，因为它具有重量轻、低剖面、该系统制作简单的、周期短的优势，并适合加工成一个大的共面阵列，便于实现共口径双极化功率。由此看来，如何设计一个双极化、低调、体积小、高增益、低旁瓣、窄波瓣宽度的单脉冲天线，为国内外研究者仍然是一个具有挑战性的任务。

21世纪是信息化高度发展的时代，在通信和信息技术中移动通信服务、多媒体信息服务、互联网应用这单个方面有着突出的成就。正如习近平主席说：“人们应该分享发展的成果，”信息社会的最终结果是使人们的生产和生活的进步和改进。随着中国经济实力的不断增长和人民的收入的不断增长，市民对新生活、工作和娱乐有新的需求和期望。目前，各类无线技术的在不断的推出和发展，在中国市场中已经被广泛的应用。如无线局域网（WLAN）技术，它颠覆了互联网应用通过双绞线的历史，通过无线传输连接到互联网的方法。这极大地简化了网络的结构的安装，并且网络终端可以移动的工作。此外，无线城域网（如WiMAX）技术，超宽带（UWB）、无线数字电视技术（DVB-H）、全球定位系统（GPS）、个人手持电话系统（PHS）、全球通信系统（GSM）、蓝牙通信（Bluetooth）等无线标准也在被大范围的使用。结合通信标准的实际需要，采用先进的印刷电路板技术，纸多层双极化微带阵列天线和单个平面印刷天线设计进行了系统研究和设计应用到单个多乐队和打印单脉冲阵列天线的脉冲系统和无线通信设备的宽带双极化微带天线，相信在这方面的开发工作将有非常积极的意义。

1.2国内外研究现状

通过了解国内外研究现状可以知道在平面印刷天线的相关方面研究有很多。本文着重在两个方面：首先，利用多层介质板生产工艺，设计极化微带单脉冲阵列天线雷达;第二，单层印刷板介质，用于多频带印刷天线和印刷天线为宽带无线通信的研究。所以

通过参考其他方面的资料，给出下面几个具体的研究进展。

1.2.1双极化单脉冲天线进展

传送或接收两个正交极化电磁波的天线称为双极化天线。它最初被用作一个提供两个通信通道频段，但是，今天的现代无线通信的快速发展，其意义和价值已不限于此。因为极化天线可以在相同带宽发送，这两个信号，从而使简单的线性极化天线与更实际值进行比较。例如，许多新的应用程序可以在一个双极化天线被开发，从而改善收发系统集成，频率复用，极化分集等性能。因此，双极化成为现代无线通信系统和军事应用中不可缺少的技术。

系统来说，双极化天线有着不同的形式，如双圆极化、多频双极化、双线极化等，更单向和双向双极化天线点的形式，其方法是不同的。本文侧重于两极分析和阵列天线的设计，而且由于除了薄型，重量轻，成本低，易于生产的微带天线等，但也可以容易地设计为双极化模式，所以阵列单元的基本形式选用多层微带贴片。

双极化微带阵列有两种不同的实现方式，一种是利用两个正交偏振单极阵列，单位两个极化位于不同的层，每一层都是一种阵列的极化。比如X.Qu设计了一对双极化微带天线阵的合成孔径雷达。两个偏振天线元件是通过不同的形式来实现，测试表明，这两种极化天线的交叉水平小于一个26分贝另一个小于31分贝，隔离度大于20分贝。虽然两个偏振可以在相同的口径的工作，在一定程度上看到减小孔径的大小，但其厚度稍大，显然与现代通信天线适合低剖面的设计理论不符。另一种是直接用双极化单元排列，每个双极化天线元件本身具有排列成特定形式的单元阵列的特性，然后在两个被设计种极化馈给网络被设计双极化阵列。该天线结构简单，易于和有源组件集成，这是目前的主流双极化天线阵列的形式。

为了使双极化天线在排阵列方面比较适合，通常需要使用馈送电源的微带线。钟顺任教授对角线馈微带天线是非常系统而深入的研究，研究结果表明，角馈双极化单元从程度比传统的侧馈双极化单元多大约10dB。并且在研究双极化角馈微带天线阵列在此基础上设计，试验结果表明，该天线端口隔离度是27?38分贝，交叉极化宽边方向电平低于23?-30dB 。SC高和LW Li等采用多馈点和对角馈电技术相结合的方法对双极化微带天线进行了实现在此基础上，设计了一个四元件双极化微带阵列天线，计算和实验结果显示该天线具有低交叉极化电平以及高的隔离，双极化端口隔离靠近带39分贝的中央，交叉极化电平小于20dB的。约翰格兰霍姆和Kim Woelders设计了一种双极化微带天线阵列层压结构，该天线设计的应用程序是一个新的设计原则，可同时实现双极化天线，以获得更好的水平的交叉极化低旁瓣电平的特性。试验结果表明，交叉极化天线的电平为40dB的，端口隔离水平极化是50分贝和垂直极化一样。S.高和A.Sambell设计一种低成本，宽波束双极化微带阵列天线。其中，一种使用耦合馈电另一种使用带有缝隙板微带天线。由于两个正交极化电源电路位于地板的两侧上，大大提高双方的地面

空间的利用效率。测试表明，这四个单元阵列在14％以上，隔离度30dB以上，交叉极化E和H面均比20dB的带宽的小。 GorAcimovic和其他人对双极化天线深入的研究和分析的实施，应用程序直接设计了一个双极化微带天线阵，这种阵列天线具有高隔离。试验结果表明，4％的带宽40dB以上内的双极化天线端口隔离。然而，该文献的结构，有一个不足，该天线天线没有地板在其耦合先的下方。有研究表明，给天线的增加金属可以使天线的后向辐射被减小。通过前面可以看出，随着各种形式的双极化天线的不断涌现，低交叉极化水平，低调，高端口隔离一直奉行双极化天线的优化设计目标。

单脉冲天线的早期多用防空导弹卡塞格伦天线，其一级和二级反射点不要双曲抛物面以及通过多技术和多扬声器的应用程序获得其他单脉冲天线和差分信号这种天线体积大，安装不方便架设;的转动惯量，不能满足快速定位的需要。与此相反，在平面波导馈缝隙天线具有高增益，小尺寸，高的辐射效率，以及非口径屏蔽效果，可以精确地控制天线表面的电磁场分布，有效地抑制了显着的交叉极化分量功能，因此往往是用来设计单脉冲天线。然而，一个大的波导管缝隙阵列天线的结构，处理，设计和制造都比较困难，而且成本高，难以满足机载雷达等特殊场合要低轮廓天线的指标要求。微带天线，重量轻，小横截面，设计灵活，成本低，更重要的是，要实现双极化微带天线比波导管缝隙阵列天线，以实现双偏振功能要简单得多。这些优势使得越来越多的民用和军事装备的微带天线单元的设计。

近年来，国内外学者在微带天线的单脉冲已经取得了大量的研究。报告的天线形状键入包括一个线性阵列和平面阵列。简单微带单脉冲线性阵列天线的结构可以用二维来实现踪。张越，使用L波段单脉冲天线，伞部微带印制偶极子天线之前是谁设计并供给至天线元件馈送，并通过泰勒合成方法和用于天线全面图案的数值方法。测试接收天线的方位角和波束旁瓣电平低于一个23.7分贝，方位差光束深度小于零值32分贝。桑圭Kim和开唱设计Ka波段单脉冲天线的工作，采用双向送电微带阵列技术相结合，实现一个3dB环桥和差波束。该天线结构简单，成本低。测试获取零差价束可以达到30分贝的深度。平面阵列形式微带天线的单脉冲结构是复杂的，但它允许单脉冲系统实现3D 追踪功能。在这方面，国内也有不少学者开展调研，这单极微带平面阵列南京理工大学方大港教授单脉冲天线深入的研究，设计紧凑的新的单脉冲微带天线阵列，并且在网络与天线阵列中的同一平面上，其具有之间的差的结构紧凑，操作简单，易加工，成本低。毫米波国家重点实验室，东南大学，还研究了单脉冲天线，通过其集成波导（SIW）的介质成功设计了一个单脉冲缝隙天线，忠吴雨等设计的C波段脉冲雷达单个宽带天线，天线驻波比小于28.2％2阻抗带宽，以及频带几乎为零深-28dB。文献报道有许多不同形式的单脉冲函数平面微带阵列就可以实现，在这里不再一一的举例了。

在所有相关的文献中，双极化微带单脉冲天线几乎很少报道。南京理工大学的梅霞研究了两种双极化单脉冲天线，单元采用双H槽灾难组合双极化天线，两个阵列分别采用串联馈送和并联馈送的方法，排列方式以网格阵列的形式使用;还有于晶和李尚生一

些人设计的单脉冲双极化天线阵列，双“H”槽耦合的刷极化天线被使用在单元中。单脉冲差束的功能通过“十字形”和差器来达到目的的，矩形网格阵列为其的排列方式。不幸的是，这种天线仅停留在理论分析和软件仿真阶段。本文提出布置在双极化单脉冲天线的多环的排布方式，以及天线的实物处理的具体实例。这将会给国内外同仁发挥微带单脉冲天线的设计提供了参考作用。

1.2.2多频段印刷天线综述

在近年来，随着无线通信技术的快速发展，已经有许多新的无线通信标准不断的涌现，频率资源利用率越来越得到提高。目前已广泛用于无线通信标准，例如：GSM移动通信系统/ PCS / DCS / UMTS，无线局域网（Wlan），无线城域网（WiMAX）和蓝牙（Bluetooth），但是不同的通信标准的工作频率一般都是不一样的，这使得单个装置或终端配备的发射和接收天线通常需要多个频带，以满足各种无线通信的需求上的无线通信，但增加的天线的数目将无疑提高该装置提供困难的挑战，因为天线可在多个频率上同时操作的要求的尺寸小，所以多频率天线就在这种情况下产生了。

多频率天线是单波段天线相对术语。对于单频天线，参数和指标的最重要的区别是天线的工作频率和带宽。天线的带宽是指在主要性能参数，如天线阻抗、增益、图案、极化、主瓣宽度和旁瓣电平，前后比其他区域，以满足该频率范围的设计要求。如果在同一时间几个性能参数有明确的要求，应该在最标准化为基础，确定天线带宽之一。

天线带宽通常以两种方式来表示，一种被称为“相对带宽”，它被定义为：绝对天线带宽Δf和工作频带的中心频率比f0，即:

其中，f h和f l分别为天线工作频率的上边沿和下边沿频率，一般由电压的驻波比VSWR≤2或者 Retunloss≥1OdB来定义回波损耗。限定天线的工作频率在本文中的以下部分的上部和下部边缘都基于后者。

另一种带宽表示方法称为“倍频带宽”，它的定义为:工作频带的上边沿频率与下边沿频率的比值，即:

在一般情况下，更窄频带天线使用术语相对带宽，以及宽带天线通常所示倍频带宽。有时，为了方便，它也可以被用于描述天线的绝对带宽的带宽特性。例如，在本文和宽带天线设计过程中，使用绝对带宽可以迅速改变的参数值反映的天线带宽的特性的影响的多频段天线，提高了分析的效率。

单频天线，这些定义也适用于多频率用天线。仅对于多频率用天线，经常还要求它的多相距甚远的一个工作频率指标满足天线的要求。对于多频率用天线的特定应用中，一个最代表意义现已广泛应用于移动电话。例如，为了实现基本电话服务G网手机一般都配有双频段GSM / GPRS（900/1800）或三频GSM / GPRS（900/1800/1900）天线，甚至一些手机配备与四频GSM / GPRS（850/900/1800/1900）天线，以满足不同的国家。此外，无线上网的WiFi需要的2.4GHz天线，GPS天线GPS需要1.575GHZ，蓝牙无线传输，需要蓝牙的2.4GHz天线，DVB-H移动电视天线等的需要。在表1.1，它列出了常见的频率范围内的无线通信标准，它的使用可以在当今无线通信标准品种被发现，从而开创了天线的多样化需求。

表1.1常见的无线通讯标准所使用的频段

无线通信标准频段

卫星定位（GPS）L1 bland：1575.42 MHz

L2 bland：1227.60 MHz 全球通信系统（GSM）890-960 MHz

数字通信系统（GCS）1710-1880 MHz

个人通信服务（PCS）1850-1990 MHz

国际移动电话系统一2000 CIMT-2000) 1920-2170 MHz

个人手持电话系统(PHS）1895MH-1918.1 MHz

蓝牙(Bluetooth）2400-2484 MHz (IEEE 802.11b) 码分多址一2000 （CDMA2000）1920-1935MHz(上行)

2110-2125MHz(下行) 宽带码分多址(WCDMA）1940-1955MHz(上行)

2130-2145MHz(下行)

TD-SCDMA 1960-1980MHz(上行)

2150-2170MHz(下行)

WiMAX 3300-3800 MHz

5150-5850 MHz

手持数字电视(DVB-H) 470-860 MHz

超宽带(UWB) 3100-10600 MHz

无线局域网(WLAN）5150-5350 MHz (IEEE802.11a)

5725-5875 MHz (IEEE802.11a)

2400-2484 MHz (IEEE802.11b)

TD-LTE 2570-2620 MHz

Wi-Fi 2400 -5000 MHz

另外，随着多输入多输出技术(MIMO)时代的到来，移动WiMAX、新一代PHS及LTE 等都将采用MIMO无线技术。这就需要在手机内配置多根天线组成阵列，如何合理地安排天线的空间布局是极具挑战的课题，同时也进一步促进了小型化多频段天线设计技术的不断发展。

2.多层双极化微带阵列天线技术

双极化天线一般是指两个正交极化的电磁波的天线能够正常的收发和接收。因为它可以同时传输的信号的双偏振波天线在同一个带宽，使得它简单的线性极化天线，并有更多的实用价值，如收发器，频率复用，极化优点设置。因此，双极化现代无线通信，并已被广泛应用在军事领域中的应用。例如，合成孔径雷达（SAR）系统，这需要使用一个双极化和宽带，高隔离度，高效率的有源相控阵天线。此外，低剖面和小型化的合成口径雷达，采用了波导管缝隙阵列技术是难以实现的。目前的趋势是使用微带天线阵列来实现这些功能，更重要的是，因为微带天线可以容易地实现双极化。

2.1单脉冲技术的基本原理

单脉冲天线主要是通过回波信号的振幅和相位进行比较，从而进行雷达的跟踪，以实现对目标的距离和位置确定。主要有两种不同的方法可以从回波信号中得到目标的较低信息：幅度比较（振幅比）和相位比较方法（相比较）。通过比较两个光束振幅比较方法所接收的回波信号的振幅值来定位，但是相位比较的方法是通过两个天线接收到的信号的相位进行比较，以在目标定位。相比较而言，更加直观和简单的方法是幅度比较，所以下面简要采用单脉冲技术原理比用于定位和跟踪的振幅的方法说明。

图2.1 比幅法定位示意图

单脉冲测角技术属于同时波瓣测角。图2.1为理想情况下的比幅定位示意图。如图所示，在一个俯仰平面内，两个波束部分重叠，其交叠方向即为等信号轴。两个波束的最大值方向与等强度信号方向偏离角度为±θ。，目标飞机偏离等强度信号方向的角度

为θ。从图中可以看出，方向图F1收到的回波信号幅度明显大于方向图F2收到的回波信号幅度。这两个信号的振幅之间的差可以表示为偏移目标对等信号强度，并且信号强度的方向相对于目标的偏差方向可以用幅度查的符号表示。此偏移方向和偏移误差信息提供给天线伺服系统来控制天线移动的方向，以减小误差。同样，取向目标飞机的坐标也可以利用接收机分支的和取向的一对图案测定，以确定飞机的方位。当目标方向的信号强度等，方向一致通过接收两个光束都等于回波信号的振幅，该振幅差为零，即此时可以实现定位。通过反复测量和调整，就可以达到目标飞行器定位跟踪的目的。为了时刻不断的掌握目标时的位置，天线应处在恒定的传输和接收的状态。因为两光束同时接收到的回波信号，所以单脉冲角度测量技术对目标角错误消息可以是在一个时间非常短的时间内获得，从理论上讲，只要作为回波脉冲分析可以确定角度误差，将它被称为“单脉冲”。

用比相角测量方法的雷达称为相位和差单脉冲雷达。其天线的组成是由天线孔径的几个波长的间隙，每一个天线孔径，以产生对称轴的波束天线轴。在远的地方，两个模式几乎完全重叠，两个光束所接收到的光束的目标信号幅度内是相同的。当目标从对称轴偏离，这两个天线接收的信号因所引起的相位差的波程差一样。从天线的轴线偏差通过相位检测，以获得目标角误差信号，从目标的偏差的极性的相位，以反映天线轴的位置。

在实践中，这两个天线或天线阵列，通过对它们所连接的网络和差产生光束联系一起。网络输出信号是两束波束分别之间的信号与差信号。与此相反，该信号被馈送端口电时，此时单脉冲产生天线波束为和波束;在差端口馈电时，此时生成的光束被叫做差波束，位置图被叫做差方向图。发射的同时照射目标和接收到是目标的位置信息是差波束的作用，并提供一个相位参考的差值信号。差分光束的作用是确定目标方位。图2.2示出了单个脉冲接收机本文的高频前端结构的示意图，本文中设计天线是把集成馈电网络与天线相结合的单个脉冲的天线。

图2.2 单脉冲测角系统高频前端机构示意图

2.2双极化微带天线单元

双极化微带天线基本是通过双馈送点实现，它可分为探针式馈电和平面式馈电两种。第二种一般是通过微带式天线来得以实现，其中包括三种方式，如微带直接式馈电、微带耦合式馈电、微带缝隙耦合式的馈电。明显可以看出探针式馈送电源虽然是一种方法方法，但考虑到竖直连接结构将显著增加天线处理的复杂性和该阵列的成本，天线阵列的方式大多通过平面式馈电来实现。然而，对于两个极馈线是在天线元件的相同水平来说，是因为没有足够的空间，无法完成排列。如图所示2.3所示，（a）单元被直接馈送微带线，（b）单元为双H形狭缝式馈电，这两个的共同点是在馈线的两个极化都在同一水平，这意味着一个对于很多大型阵列的数量，这是不可能出现在被安排在两个相互正交极化馈电网络同一层足够的空间，你不能选择这种类型的单位。

（a）（b）

图2.3 两种双极化单元

本文对双极化天线单元的主要标准要求有:工作频带宽度大于600MHz，中心频率fo （GHz)，隔离度小于-30分贝。

考虑到指标前排接线方便，端口隔离度这两个标准，我们选择双极化馈线位于两个楼层H形的一组天线元件的缝隙双极化天线阵列一侧。这样的好处有两个：（1）两个极化馈线位于楼面裂缝的两边，不仅提高了端口隔离，而且方便网络布线; （2）天线加在地板的下方，对于向后辐射能够有效的抑制。

2.3 阵列的排布方式

二维阵列具有两种不同类型，第一种是矩形栅格全部由所有单元组成的平面式阵列;另一种是所有单元都位于同心环或椭圆环，称为环或椭圆形阵列环状阵列的平面阵列。假设两个平面阵列等距的，当然，并不一定相等隔开所谓在两个正交方向的单元间隙是相等的，它可以是在径向方向上具有相等距离。为了产生和差图，假定两个阵列可分成四个象限对称。矩形网格阵列可以是矩形边界可以是圆形或椭圆形的。圆形或椭圆形网

格阵列需要四个周边没有角的的矩形网格阵列形成。圆形或者椭圆形阵列的所有边界必须是圆形或椭圆形。

对矩形网格阵列来说，如果它的边界也是矩形的，其口径基本上都为二维可分开的，其阵列方向图可以根据方向图乘积定理计算，很大程度上缩减了阵列计算的工作量。但是这种有一个很不好的缺点就是增益大大的受到了限制，而可以不受这影响的就是关于ψ对称的方向图，然而这一系列的设计程序非常的麻烦。

与此相反，在环状阵列具有许多优点，例如简单的矩阵结构非常简易但是规范，与对称图案的方向，以最大限度地利用圆形孔，缩小栅瓣电平等。椭圆环阵列通常使用的很少，除非对天线的口径有一定的需求。

2.3.1 多圈圆环单脉冲阵列形式

1978年，Donald A. Huebner提出了一种方案是通过使用多圈圆环阵列以此来得到单脉冲和差波束的方案。图2.4所示为一个典型的四圈同心圆环阵列。如图所示，因为要得到和差波束，阵列结构的四个象限必须关于X轴和Y轴对称，阵元的数目要是4的整数倍，并而且在同心圆换阵列的中心不能拥有小单元。

图2.4 经典四圈单脉冲阵列

靠近象限边界线的单元机会在一天直线上排列这是这种阵列的一个特点。由此我们可以得到靠近象限分界线上的单元于分界线的距离大约为一个常数。设其总共N圈，假设第一圈的半径为R1，每圈半径递增Rd，第n圈的半径为Rn，第n圈的单元数目为Nn=

4n，则第n圈上临近象限分界线上的单元距离分界线的距离dn可以表示为:

（2-1）将Rn和Nn的表达式带入式(2-1)可以得到:

（2-2) 若将第一圈半径设为R1=Rd，则

(2-3) 可以的得到当Rd为一个定值时，dn大约是一个常数。但是临近象限分界线的单元机会在一条直线上排列，这将使我们有相对足够的空间在分界线区域放上和差网络，对于阵列的总体设计有好处。本章通过这种结构的多圈圆环组阵方式，把微带天线单元排列成多圈圆环行阵列，还对双极化的单脉冲微带阵列天线进行了研究。

2.4阵列方向图估算

由于采用电磁仿真软件仿真大型阵列需要高配置的计算机并且需要很长的时间。所以在这里我们用阵列因子来计算阵列方向的相关性质。并且需要以下几个相关方面的数据：（1）单元的数目; （2）每个单元的坐标;（3）每个单元的幅度和相位。通过前面可以的研究，结合天线孔径大小，最先确定了天线元件的坐标的数量和布置。为了能够满足-30dB的副瓣电平，用圆形泰勒口径综合方法可以每个单元的加权幅度的大小。最后，计算的阵列图形。

图2.5立体和方向图

图2.6立体方位差方向图

图2.7立体俯仰差方向图

图2.8方位/俯仰面和差方向图

由图2.8中得到，和方向图的第一副瓣电平为-29.7dB。通过计算半功率波瓣宽度HPBW=4.6°。由于阵列的结构具有对称性质，并且单元方向图也关于ψ对称，所以差方向图、俯仰面和、差方向图与方位面和这三个方面都一样。因此得到的研究结果具有低副瓣和窄波瓣宽度的性质。

2.5天线阵列设计与分析

这部分，我们将前面的几个单独的部分柔和在一起，以形成最终的双极化单脉冲微带天线。设计出了该天线的基本雏形，并进行处理和实物测试，通过测试结果的分析，给出了原因和采取纠正措施。

2.5.1阵列天线模型

下图是天线的层叠结构示意图。如图所示，天线四层介质组成部分都用了Rogers RT/duroid 5880介质，相对介电常数εr=2.2，恰年两层的厚度都是0.381mm，后面两层的介质厚度都是0.254mm。介质中间通过半固化片粘合，接地孔的作用是将两层地板电位达到大约相同的数值，焊接孔以便于在顶层将探针和馈线进行连接，探针孔是为了将电源送到探针中。

整个双极化微带天线阵列共由五个金属层构成，具体如下：第一层是一个贴片层，主要是把贴片天线放在上面;第二层是水平极化的馈电网络层，提供馈电给水平极化辐射;第三层是缝隙地板层，在该层开放H状槽孔，对馈电进行耦合;第四层是垂直极化馈电网络层，提供馈电给垂直极化辐射;第五层是接地层，即在接地层上。

图2.9天线层叠结构示意图

水平极化和垂直极化的两个完整的网络馈电结构通过前面分析我们可以的得到，如下图2.10所示

图2.10馈电网络（a）水平极化（b）垂直极化

2.5.2实测结果与分析

因为受到计算机的影响，不能准确的算出288元微带的阵列，从而只能给出相关的实验结果。图2.11（a)为实物双极化微带圆环阵列的俯视图，即为天线阵的第一层结构，贴片状的天线、微带和焊接孔、螺钉的固定孔都位于其天线的表层。图2.11(b)为实物双极化微带圆环阵列的底视图，就是天线的接地层，主由匹配负载、SMA, TNC等几个不同的器件构成。

图2.12给出了天线模型的各个方面在矢量网络分析仪下的测试结果，分别是水平极化和垂直极化的和口、方位差口、俯仰差口。在图2.13中给出了对驻波比的频带范围要求在f0±0.3 (GHz)内并且电压的驻波比不能大于1.71，图2.14显示出该天线的高隔离度性能，其水平极化和垂直极化端口的隔离度都比-30dB的好。

图2.11双极化天线实物图（a）俯视图（b）低视图

（a）水平极化（b）垂直极化

图2.12天线的端口驻波比