微带阵列天线并联馈电：原理、设计与优化

并联馈电（Parallel Feed）是微带阵列天线中一种常用的馈电方式，其通过将功率分配器（如功分器、耦合器）与阵元直接连接，实现阵元的独立激励。以下从并联馈电的原理、优势、设计要点及工程应用等方面展开，提供系统化的分析。

一、并联馈电的基本原理

1. 馈电网络结构

• 功率分配器：将输入功率按一定比例分配给各阵元，常见结构包括：
  • T型结功分器：结构简单，但带宽较窄，损耗较大。
  • Wilkinson功分器：隔离度高，带宽较宽，损耗较小。
  • 多级功分网络：通过级联功分器实现大规模阵列的馈电。
• 传输线匹配：通过调整传输线长度与阻抗，实现阵元与馈电网络的阻抗匹配。

2. 激励幅度与相位控制

• 幅度控制：通过功分器的功率分配比例，实现阵元的非均匀激励（如泰勒加权）。
• 相位控制：通过调整传输线长度，实现阵元的相位一致性或相位差（用于波束扫描）。

二、并联馈电的优势与局限性

1. 优势

• 方向图对称性好：各阵元激励幅度与相位独立可控，方向图对称性优于串联馈电。
• 损耗较低：传输线长度较短，馈电损耗较小，适合高频段应用。
• 设计灵活性高：可轻松实现非均匀激励、波束扫描或赋形方向图。

2. 局限性

• 占用面积较大：功分器与传输线需要额外空间，导致阵列面积增加。
• 复杂度较高：大规模阵列的馈电网络设计复杂，成本较高。
• 互耦效应敏感：阵元间距较小时，互耦效应可能影响馈电网络的性能。

三、并联馈电的设计要点

1. 功率分配器设计

• 功分比计算：根据阵元激励幅度需求，计算功分器的功率分配比例。
  • 示例：8元阵列采用泰勒加权，中心阵元激励幅度为1，边缘阵元激励幅度为0.5，功分比为 1:0.52=1:0.25。
• 隔离度设计：采用Wilkinson功分器或增加隔离电阻，提高阵元间的隔离度。

2. 传输线匹配设计

• 阻抗匹配：通过调整传输线宽度与长度，实现阵元与馈电网络的阻抗匹配（通常为50Ω）。
• 相位一致性：通过调整传输线长度，确保各阵元相位差满足设计需求（如波束扫描）。

3. 阵元间距与互耦抑制

• 间距优化：阵元间距通常为 0.5λ∼λ，以平衡互耦效应与栅瓣风险。
• 互耦补偿：在馈电网络中引入补偿电路，抵消互耦效应对方向图的影响。

四、并联馈电的工程应用案例

案例1：8元线性微带阵列天线并联馈电

• 设计目标：实现主瓣宽度 20∘，副瓣电平 ≤−20dB。
• 实现方法：
  1. 功率分配器：采用两级Wilkinson功分器，实现泰勒加权（副瓣电平 −25dB）。
  2. 传输线匹配：通过微带线阻抗变换，实现阵元与馈电网络的50Ω匹配。
  3. 阵元间距：0.8λ，抑制互耦效应。
• 仿真结果：
  • 主瓣宽度：18∘。
  • 副瓣电平：−24dB。
  • 增益：12dBi。

案例2：16元平面微带阵列天线并联馈电

• 设计目标：实现二维波束扫描（方位角 ±30∘，俯仰角 ±15∘）。
• 实现方法：
  1. 功率分配器：采用四级Wilkinson功分器，实现均匀激励。
  2. 相位控制：通过数字移相器调整传输线长度，实现波束扫描。
  3. 阵元布局：4×4 平面阵列，阵元间距 0.7λ。
• 测试结果：
  • 波束扫描范围：方位角 ±28∘，俯仰角 ±14∘。
  • 增益波动：±1dB。
  • 方向图对称性：良好。

五、并联馈电与串联馈电的对比

六、并联馈电的优化方向

1. 小型化设计：
   • 采用多层基板或集成化功分器，减小馈电网络面积。
   • 示例：通过LTCC（低温共烧陶瓷）技术实现三维馈电网络。
2. 低损耗设计：
   • 采用低损耗基板材料（如Rogers 5880）或空气微带线。
   • 优化功分器结构，减少插入损耗。
3. 动态波束扫描：
   • 结合数字移相器与可重构功分器，实现实时波束扫描。
   • 示例：通过FPGA控制移相器，实现波束方向的动态调整。

七、结论：并联馈电的关键设计要点

1. 功率分配器设计：根据阵元激励需求，选择合适的功分器结构与功分比。
2. 传输线匹配与相位控制：通过阻抗变换与长度调整，实现阵元的激励幅度与相位控制。
3. 互耦效应抑制：优化阵元间距与馈电网络结构，减少互耦对方向图的影响。
4. 工程实现与测试：通过仿真与测试验证馈电网络性能，确保方向图满足设计需求。

八、推荐实践

1. 仿真优先：在设计阶段使用电磁仿真软件（如HFSS、CST）优化馈电网络。
2. 模块化设计：将馈电网络划分为子模块，降低设计复杂度。
3. 动态校准：在实际应用中通过校准算法补偿馈电网络误差。

通过以上方法，可系统化地设计与优化微带阵列天线的并联馈电网络，满足高频段、大规模阵列及波束扫描等应用需求。