论文总字数：21719字

摘 要

毫米波微带天线已经有近三十年的时间的历史了，它和其他波段的微带天线，如微波微带天线，差不多同一时间出现的。毫米波微带天线具有轻巧、剖面小、价格低廉等诸多优点。同时，毫米波本身具有波长短、频带宽、在各种恶劣环境中都有良好的传播等特性，因此，毫米波微带天线渐渐受到世界各国天线研究者的关注。

本文首先运用HFSS软件，进行28GHz的微带天线阵列的设计与仿真，包括天线单元、馈电网络和阵列天线仿真，并对结果进行分析。然后利用matlab编写了求取阵列天线阵因子方向图的程序，计算了包括1×8、1×16和8×8阵列在内的均匀分布和泰勒分布的阵因子方向图，并进行了比较分析。最后通过调用Matlab中的遗传算法工具箱，编写了优化阵列天线增益和副瓣电平的程序，在此基础上，进行了稀疏阵列的优化，验证了稀疏布阵技术。

关键词： 毫米波 阵列天线 馈电 稀疏阵列

Design of millimeter wave sparse array antenna

Abstract

Millimeter wave microstrip antenna has been researched nearly three decades, it appeared almost at the same time with many other band microstrip antenna, such as microwave microstrip antenna. Millimeter wave microstrip antennas have been focused by many antenna researchers in recent years, due to their inherent advantages like light weight, thin profile, flexible design, low cost and good radiation characteristics.

In this work, we firstly, design and simulate a 28GHz wave microstrip antenna array using HFSS software, including the antenna elements, feed network and array antenna. Then we design a code about calculating the antenna array factor by using Matlab, including 1×8, 1×16 and 8 × 8 array factor with both Taylor and uniform distribution pattern, and a comparative analysis has been done after that. Finally,we write a code for optimizing array gain and side lobe level by using Matlab genetic algorithm toolbox, and sparse array is optimized.

Key word： millimeter wave antenna array feed network sparse array

目 录

摘 要 3

Abstract 4

第一章 绪论 7

1.1 毫米波及稀疏阵列天线的发展及研究现状 7

1.2 毫米微带天线设计中的问题 8

1.3 毫米波微带天线的研究意义 8

第二章 微带天线基本原理 9

2.1 微带辐射器的基本原理 10

2.2 仿真与分析工具HFSS软件 11

2.2.1 HFSS软件初识 11

2.2.2 HFSS天线实例操作 11

第三章 毫米波微带天线阵列的设计仿真 17

3.1 矩形微带贴片天线单元的设计 17

3.2 微带贴片天线的软件仿真 19

3.3 矩形微带天线馈电网络的设计 20

3.3.1 T型接口设计 20

3.3.2 馈电网络设计 22

3.4 天线阵列设计 23

3.4.1 2×2阵列仿真 23

3.4.2  4×4阵列天线方向图仿真 25

第四章 稀疏布阵的优化设计 27

4.1 阵列天线方向图分析 27

4.1.1 均匀直线阵列基础知识与原理 27

4.1.2 均匀分布直线阵列方向图分析 27

4.1.3 泰勒分布直线阵方向图分析 30

4.1.4 均匀分布的8×8矩阵天线分析 31

4.2 直线稀疏阵列方向图的优化 32

第五章 总结 38

致 谢 39

参考文献 40

第一章 绪论

1.1 毫米波及稀疏阵列天线的发展及研究现状

毫米波微带天线已经发展了有近三十年了，当初，人们就是认识到微带天线具有的种种独特优点，才开始逐渐关注这一独特的设计领域。微带天线由于本身的材质特性，可以做的很小，很轻。并且成本可以做的很低。由于可以做的很小，所以集成起来非常方便。另外毫米波是属于频段比较高的，波长就变得很短，另外它的频带又很宽，这些都是毫米波所具有的优势特点。所以无论是在多么恶劣的环境中都很难影响毫米波的传播。

早在上个世纪五十年代就有人提出了微带辐射器的概念。七十年代后微带天线开始逐渐发展起来。后来，随着低耗介质以及微带辐射理论模型等的不断的完善。发展起来了一批新型的平面微带天线。八十年代后，微带天线理论更是如同走上了高速公路，形成了迅猛发展之势。相关的技术也变得越来越成熟。

一开始，关于微带天线阵列性能的研究还只停留在几个少数频段上，而且关于其的研究发现关于天线阵列技术还不够完善，存在一定的问题。

在许多实际的工程应用中，都是要求天线阵列的扫描波束在限制范围之内，反而对于天线的增益没有过于严苛的要求。口径的最大尺寸跟阵列的波束宽度有关，增益又与有关系。这里就引申到本此设计的稀疏阵列了，因为稀疏阵列的增益不断高，但是有很强的方向性。因为稀疏阵列就是将完整阵列其中的一个或者几个阵元去掉，这样单元数少了，造价也就低了。

稀疏阵列的研究起源于上个世纪六十年代，从八十年代开始，就已经在雷达中有很好的应用。但是当时的计算机发展水平还很低，所以无法设计出阵元间距不等的阵列，只能研究等间距阵列天线，而且通常阵元之间的间距通常是自由空间波长的一半或者四分之一。

二十世纪八十年代末期，有人指出，虽然稀疏阵列的阵元间距只能是相同的，因为这样的设计比较简单，易于制作。但是稀布阵列就不需要像稀疏阵列那样一定要约束阵元在栅格上，所以阵元就可以任意选择位置，而且这样可以改善副瓣电平。

上个世纪九十年代之后，随着计算机技术的智能算法，在稀疏阵列天线的设计中的作用也越来越重要，推动阵列优化设计向着规模化，多约束的方向发展。用于稀疏阵列天线优化设计的算法主要有遗传算法、模拟退火算法以及近年来出现的奴群算法和粒子群算法等等。

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