一種Ku波段寬帶微帶天線陣的設(shè)計(jì)

張 青，夏 翔，徐遠(yuǎn)超

(中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所,江蘇 南京 210007)

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一種Ku波段寬帶微帶天線陣的設(shè)計(jì)

張 青，夏 翔，徐遠(yuǎn)超

(中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所,江蘇 南京 210007)

設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為16GHz具有寬頻帶高增益特性的8單元微帶天線陣。綜合運(yùn)用H 型縫隙耦合饋電技術(shù)、插入空氣層技術(shù)方法展寬天線的帶寬。使用三維電磁場(chǎng)仿真軟件(Ansoft HFSS)對(duì)微帶天線進(jìn)行仿真優(yōu)化，仿真結(jié)果表明，天線單元性能良好，相對(duì)阻抗帶寬(S11≤-10dB)為10.9%，增益為8.6dB。八單元天線陣列相對(duì)阻抗帶寬達(dá)到11.3%，增益為16dB。天線陣列性能良好，設(shè)計(jì)方法具有很好的可擴(kuò)展性。

Ku波段；寬頻帶；耦合饋電

0 引言

隨著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的飛速進(jìn)步，天線技術(shù)的發(fā)展也是日新月異，天線形式更是層出不窮。微帶天線以其體積小、質(zhì)量輕、低剖面、易與有源器件集成、能與載體共形等諸多優(yōu)點(diǎn)，日益受到人們青睞。但是，普通的微帶天線帶寬一般相對(duì)較窄，這限制了它在許多無(wú)線通信系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。因此，微帶天線的寬頻帶特性一直是研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者在寬頻帶微帶天線研究方面做了大量工作，并取得了很好的成果。對(duì)于寬頻帶天線的設(shè)計(jì)大多是采用多層貼片構(gòu)成寬頻帶天線，但是這樣會(huì)使天線的厚度加大，并且多層貼片要考慮貼片的對(duì)齊問(wèn)題，增加了加工的難度[1-2]。

為了解決以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種由一層輻射貼片和兩層帶狀線介質(zhì)板組成的微帶天線陣列。采用了H型縫隙耦合饋電技術(shù)和引入空氣層技術(shù)展寬了天線的頻帶[3-4]。該四元天線陣的中心頻率為16GHz，工作在Ku波段。

1 天線結(jié)構(gòu)

天線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1(a)為3D 視圖、圖1(b)為俯視圖。天線由三層介質(zhì)板組成，正方形輻射貼片蝕刻于上層介質(zhì)板下側(cè)，H型縫隙耦合饋電位于中間介質(zhì)板的上表面，微帶饋線位于下兩層介質(zhì)板中間，為帶狀線饋電，接地板位于天線底部。饋電層與輻射貼片由空氣層隔開(kāi)，其間距為h=1.9mm。引入空氣層以降低微帶天線Q值，從而達(dá)到增加帶寬的目的。輻射貼片長(zhǎng)度決定諧振頻率，而寬度對(duì)耦合程度影響很大。輻射貼片分別決定了微帶天線諧振頻率，并在一定范圍內(nèi)調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)寬頻帶目的[5]。接地板上蝕刻“H”字形隙縫與輻射貼片中心重合, 隙縫長(zhǎng)度、寬度對(duì)天線的諧振頻率和耦合程度都有較大的影響。為避免后向輻射，縫隙長(zhǎng)度在滿(mǎn)足工作帶寬條件下不宜過(guò)長(zhǎng)。微帶饋線終端開(kāi)路，采用中心饋電方式。調(diào)節(jié)微帶饋線寬度Wf和調(diào)諧支節(jié)Ls可實(shí)現(xiàn)天線阻抗匹配、消除諧振頻率漂移現(xiàn)象。上層輻射介質(zhì)板采用εr1=2．2、h1=1mm 的微帶板；饋電介質(zhì)板采用εr2=2．65、h2=1mm的微帶板。利用電磁仿真軟件HFSS對(duì)天線單元各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得：上輻射貼片L=7.5mm ,W=7.5mm，耦合口徑Wa=0.19mm,La=5.1mm,饋線寬度Wf=1.13mm,調(diào)諧支節(jié)Ls=2.8mm 。

天線單元端口反射系數(shù)仿真結(jié)果如圖2所示。在15.07～16.8GHz內(nèi)S11≤-10 dB，相對(duì)阻抗帶寬達(dá)到10.9%,f=16GHz時(shí)天線單元輻射方向圖如圖3所示,天線增益為8.5dB。

圖1 天線單元結(jié)構(gòu)

圖2 天線單元反射系數(shù)

圖3 天線單元增益

2 天線陣列的設(shè)計(jì)與測(cè)試

天線陣列的帶寬除了受天線單元本身的諧振特性的影響外，饋電網(wǎng)絡(luò)也起到很大的作用。本文設(shè)計(jì)的匹配網(wǎng)絡(luò)采用等幅同相并饋網(wǎng)絡(luò)，利用等功分T形接頭連接各陣元，連接處采用兩節(jié)λ/4阻抗變換器保證端口與連接線的阻抗匹配同時(shí)也進(jìn)一步展寬頻帶。由于采用了等幅同相的饋電網(wǎng)絡(luò)以及縫隙耦合技術(shù)，使得饋線網(wǎng)絡(luò)與輻射單元之間有接地板隔離，因此，天線陣列的方向圖的頻帶特性與饋電網(wǎng)絡(luò)無(wú)關(guān)，僅取決于陣元的排列分布。天線陣列的方向性系數(shù)和增益隨著d/λ(d為陣元間距，λ為中心頻率的波長(zhǎng))的變化而變化。研究表明當(dāng)d為0.7～0.8時(shí)，方向性系數(shù)和增益達(dá)到最佳，因此，選擇陣元間距d=9mm。設(shè)計(jì)的八元陣列天線結(jié)構(gòu)如圖4所示，仿真優(yōu)化后的陣列反射系數(shù)仿真結(jié)果如圖5所示。在15.04～16．83GHz頻段內(nèi)S11≤-10dB，相對(duì)阻抗帶寬為11.3%，f=15.175GHz、f=16.05GHz、f=16.75GHz時(shí)的陣列天線E面和H面的增益方向圖如圖6所示，陣列仿真增益達(dá)到15.8dB。

圖4 八元陣列天線結(jié)構(gòu)

圖5 陣列反射系數(shù)

圖6 增益方向圖

根據(jù)仿真優(yōu)化的結(jié)果制作了實(shí)物模型。使用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線的s參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

測(cè)試結(jié)果表明，在15～16.8GHz內(nèi)VSWR≤2.5，與仿真值基本一致。對(duì)天線方向圖進(jìn)行了測(cè)量，圖8(a)、(b)分別給出了在15.175GHz、16.05GHz和16.75GHz處天線實(shí)測(cè)與仿真的E面和H面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，實(shí)測(cè)增益達(dá)到16dB。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果相比增益高了約0.5dB，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。

圖7 天線單元實(shí)測(cè)駐波

圖8 陣列天線實(shí)測(cè)增益方向圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新型結(jié)構(gòu)的寬頻帶高增益微帶天線，使用H型縫隙耦合饋電擴(kuò)展天線帶寬，在天線底面加金屬反射板減小天線的后向輻射。利用高頻仿真軟件HFSS進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果顯示,該天線的阻抗相對(duì)帶寬達(dá)11.3%，陣列天線增益大于16dB,該結(jié)構(gòu)天線具有良好的寬頻諧振特性和輻射特性?！?/p>

[1] 楊帥，馮全源．縫隙加載的寬頻帶圓極化微帶天線[J]．探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2009，31(5):77-80．

[2] 王宇，姜興，李思敏．Ku波段寬頻帶雙極化微帶天線陣的設(shè)計(jì)[J]．電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23(4):276-279．

[3] 李書(shū)杰，鄢澤洪，張小苗．一16元Ku波段微帶天線陣的設(shè)計(jì)[J]．微波學(xué)報(bào)，2006，22:32-34．

[4] 潘雪明，王澤美，焦永昌，等．一種開(kāi)雙H型槽的新型寬頻帶微帶天線[J]．電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，20(5):656-659．

[5] 李秀萍,安毅，徐曉文，等. 多層微帶貼片天線單元和陣列設(shè)計(jì)[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2002,24(8):1120-1125.

Design of a wide-band microstrip array antenna at Ku-band

Zhang Qing, Xia Xiang, Xu Yuanchao
(No.8511 Research Institute of CASIC，Nanjing 210007，Jiangsu，China)

A broadband and high gain 8 element microstrip array antenna working at 16GHz is designed. The H shaped aperture coupled feeding, inserting the air layer technology are adopted to achieve wider bandwidths. By using a software 3D electromagnetic field analysis (Ansoft HFSS), the microstrip antenna was simulated and optimized. The simulated results show that the relative impedance bandwidth of the antenna element is 10.9%, and the gain is 8.6dB. The relative impedance bandwidth of 8 elements array antenna is 11.3%，and the gain is 16dB．So the performance of the antenna is very well and the method of design has good expansibility.

Ku-band;wideband;coupling feed

2016-06-07；2016-08-23修回。

張青(1985-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)閷拵炀€、陣列天線、多波束天線。

TN97; TN822+<.8 class="emphasis_bold">.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A.8

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