一種Ku波段寬帶微帶天線陣的設計

張 青，夏 翔，徐遠超

(中國航天科工集團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計

張 青，夏 翔，徐遠超

(中國航天科工集團8511研究所,江蘇 南京 210007)

設計了一個中心頻率為16GHz具有寬頻帶高增益特性的8單元微帶天線陣。綜合運用H 型縫隙耦合饋電技術、插入空氣層技術方法展寬天線的帶寬。使用三維電磁場仿真軟件(Ansoft HFSS)對微帶天線進行仿真優化，仿真結果表明，天線單元性能良好，相對阻抗帶寬(S11≤-10dB)為10.9%，增益為8.6dB。八單元天線陣列相對阻抗帶寬達到11.3%，增益為16dB。天線陣列性能良好，設計方法具有很好的可擴展性。

Ku波段；寬頻帶；耦合饋電

0 引言

隨著現代無線通信技術的飛速進步，天線技術的發展也是日新月異，天線形式更是層出不窮。微帶天線以其體積小、質量輕、低剖面、易與有源器件集成、能與載體共形等諸多優點，日益受到人們青睞。但是，普通的微帶天線帶寬一般相對較窄，這限制了它在許多無線通信系統中的廣泛應用。因此，微帶天線的寬頻帶特性一直是研究熱點。近年來，許多國內外學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。對于寬頻帶天線的設計大多是采用多層貼片構成寬頻帶天線，但是這樣會使天線的厚度加大，并且多層貼片要考慮貼片的對齊問題，增加了加工的難度[1-2]。

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

1 天線結構

天線單元結構如圖1所示，圖1(a)為3D 視圖、圖1(b)為俯視圖。天線由三層介質板組成，正方形輻射貼片蝕刻于上層介質板下側，H型縫隙耦合饋電位于中間介質板的上表面，微帶饋線位于下兩層介質板中間，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，其間距為h=1.9mm。引入空氣層以降低微帶天線Q值，從而達到增加帶寬的目的。輻射貼片長度決定諧振頻率，而寬度對耦合程度影響很大。輻射貼片分別決定了微帶天線諧振頻率，并在一定范圍內調整，可實現寬頻帶目的[5]。接地板上蝕刻“H”字形隙縫與輻射貼片中心重合, 隙縫長度、寬度對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，縫隙長度在滿足工作帶寬條件下不宜過長。微帶饋線終端開路，采用中心饋電方式。調節微帶饋線寬度Wf和調諧支節Ls可實現天線阻抗匹配、消除諧振頻率漂移現象。上層輻射介質板采用εr1=2．2、h1=1mm 的微帶板；饋電介質板采用εr2=2．65、h2=1mm的微帶板。利用電磁仿真軟件HFSS對天線單元各參數進行優化得：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,調諧支節Ls=2.8mm 。

天線單元端口反射系數仿真結果如圖2所示。在15.07～16.8GHz內S11≤-10 dB，相對阻抗帶寬達到10.9%,f=16GHz時天線單元輻射方向圖如圖3所示,天線增益為8.5dB。

圖1 天線單元結構

圖2 天線單元反射系數

圖3 天線單元增益

2 天線陣列的設計與測試

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，饋電網絡也起到很大的作用。本文設計的匹配網絡采用等幅同相并饋網絡，利用等功分T形接頭連接各陣元，連接處采用兩節λ/4阻抗變換器保證端口與連接線的阻抗匹配同時也進一步展寬頻帶。由于采用了等幅同相的饋電網絡以及縫隙耦合技術，使得饋線網絡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絡無關，僅取決于陣元的排列分布。天線陣列的方向性系數和增益隨著d/λ(d為陣元間距，λ為中心頻率的波長)的變化而變化。研究表明當d為0.7～0.8時，方向性系數和增益達到最佳，因此，選擇陣元間距d=9mm。設計的八元陣列天線結構如圖4所示，仿真優化后的陣列反射系數仿真結果如圖5所示。在15.04～16．83GHz頻段內S11≤-10dB，相對阻抗帶寬為11.3%，f=15.175GHz、f=16.05GHz、f=16.75GHz時的陣列天線E面和H面的增益方向圖如圖6所示，陣列仿真增益達到15.8dB。

圖4 八元陣列天線結構

圖5 陣列反射系數

圖6 增益方向圖

根據仿真優化的結果制作了實物模型。使用Agilent N5230A矢量網絡分析儀對天線的s參數進行了測試。測試結果如圖7所示。

測試結果表明，在15～16.8GHz內VSWR≤2.5，與仿真值基本一致。對天線方向圖進行了測量，圖8(a)、(b)分別給出了在15.175GHz、16.05GHz和16.75GHz處天線實測與仿真的E面和H面遠場方向圖，實測增益達到16dB。實測結果與仿真結果相比增益高了約0.5dB，測試結果與仿真結果吻合較好。

圖7 天線單元實測駐波

圖8 陣列天線實測增益方向圖

3 結束語

本文提出了一種新型結構的寬頻帶高增益微帶天線，使用H型縫隙耦合饋電擴展天線帶寬，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進行輔助設計，仿真結果顯示,該天線的阻抗相對帶寬達11.3%，陣列天線增益大于16dB,該結構天線具有良好的寬頻諧振特性和輻射特性。■

[1] 楊帥，馮全源．縫隙加載的寬頻帶圓極化微帶天線[J]．探測與控制學報，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計[J]．電波科學學報，2008，23(4):276-279．

[3] 李書杰，鄢澤洪，張小苗．一16元Ku波段微帶天線陣的設計[J]．微波學報，2006，22:32-34．

[4] 潘雪明，王澤美，焦永昌，等．一種開雙H型槽的新型寬頻帶微帶天線[J]．電波科學學報，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計[J]. 電子與信息學報, 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，主要研究方向為寬帶天線、陣列天線、多波束天線。

TN97; TN822+<.8 class="emphasis_bold">.8 文獻標識碼：A.8

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