Grid Antenna Array

为适应新品对天线的角度要求及共用上代PCB板材模具，采用下面的天线布局，可实现天线增益14dBi@77GHz，3dB_E/H_Beamwidth=40°的辐射性能。采用Rogers 4830板材，厚度0.127mm，Dk=3.25，Df=0.0033。

天线布局

上图中采用微带栅格天线，微带栅格阵列天线由N个微带环形成的辐射元件和传输线形成级联而成的一种天线形式，具有结构紧凑、增益高、馈电简单和易于制造等优点。主要极化方式为线极化，和常规微带天线类似，可以采用蚀刻技术加工。栅格的阻抗、馈电位置和互联结构共同决定了阵列上的电流分布，且辐射特性取决于栅格的几何结构。单个的栅格尺寸用来确定天线的中心频率。

1. 原理分析

   阵元垂直方向流动的电流等幅反向，辐射能力弱，对天线性能影响较小。将单元宽度 l1设置为半波长并调整单元高度 (h)，以便在 a0 和b0 之间实现 180° 的相位差。对于宽边辐射，点a1和b1之间的相位差为0°。 

   

   阵元结构

2. 馈电结构

   栅格型天线通常采用同轴线馈电结构，在PCB背面接入馈线，因此需要对馈线进行穿层设计。对于实际加工，会存在一定精度误差，对性能产生影响。为满足上图所描述的相位信息，可采用平面差分馈电结构，两端口等幅激励，但相位相差180°。  

    

   同轴馈电结构[1]

   
    

   微带栅格阵列天线大多采用同轴馈电的馈电方式。栅格阵列天线的馈电位置主要分为中心馈电（馈电点 1）和边缘馈电（馈电点 2 和馈电点 3）两种，  

   

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   典型栅格阵列结构‍

   边缘馈电时，栅格阵列天线上存在跨越整个栅格的行波，属于非谐振的单一方向端射阵。栅格阵列天线既可作为行波天线，又可作为谐振天线。选择合适的频率，馈电点，以及栅格尺寸，可使栅格工作在不同的状态：行波（频率扫描）和谐振（边射）。作为行波天线，栅格阵列天线采用边缘馈电的馈电形式，栅格的短边稍大于三分之一导波长，长边介于两倍和三倍的短边长度之间。短边上的电流向另一侧传输，短边之间存在相位差。行波（非谐振）栅格天线辐射倾斜的波束，偏离栅格平面的法向方向，波束方向随着频率变化而变化，可用于频率扫描。栅格阵列天线作为谐振天线时，栅格的长短边分别设计为中心频率的一个导波长和半个导波长，并且采用中心馈电的馈电方式。谐振状态的栅格天线瞬时电流呈现驻波分布。辐射主要是由短边产生的，长边起传输线的作用。栅格天线获得较好的辐射效果，最大辐射处于宽边辐射状态，极化平行于栅格的短边。当频率偏离设计的中心频率时，栅格的短边不再是半个导波长，辐射方向图会出现波束分裂。[2]  

阵列模型及其3D方向图

如上图的天线结构，其中P1和P2相位相差180°，可采用ADS进行原理图仿真（本文中未建模）。对馈电端口进行差分馈电，可以观察到单个栅格阵元上的电流分布，如原理分析中所示。纵向位置电流反向（抵消），横向位置电流等幅同相（叠加）。

不同臂上的电流分布1

不同臂上的电流分布2

参考文献：