一種新穎的Ku頻段寬帶微帶天線陣的設計

李 飛

（南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210014）

一種新穎的Ku頻段寬帶微帶天線陣的設計

李 飛

（南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210014）

文章設計了一種新穎的Ku頻段寬帶微帶天線陣。該陣列的天線單元為分層結構，通過在饋線增加匹配枝節，上層貼片附加寄生單元，實現了寬頻帶性能。仿真表明，天線單元的相對阻抗帶寬（S11＜﹣10 dB）達到了17.2%，頻帶內增益大于8.4 dBi，四單元天線陣的增益大于15.1 dBi。

Ku頻段；微帶天線陣；寬帶

隨著技術的發展，無線通信領域對通信帶寬的要求越來越高，用戶對高速數據、高清視頻的需求是沒有盡頭的。因此不斷擴大通信容量，提高天線的電性能，降低天線的重量和體積成為該領域的一個長期研究目標。對于工作在Ku頻段的動中通衛星通信天線，帶寬越寬，能力越強，越能適應不同的應用場合。

微帶天線是利用微帶線或同軸線等饋線饋電，在導體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場，通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射[1]。因其體積小、重量輕、剖面低、可共形、易集成及便于匹配等優點，廣泛用于雷達和通信領域[2]。但是，微帶天線缺點是帶寬比較窄。研究表明，采用多層結構增加天線厚度、天線輻射單元附加寄生單元[3-4]、降低微帶天線的Q值、采用電磁耦合饋電和附加阻抗匹配網絡等措施可以一定程度地增加微帶天線的帶寬。

本文設計了一種新穎的Ku頻段寬帶微帶天線陣，結構簡單、加工方便。仿真結果表明，天線在寬帶范圍內有較高和較平坦的增益，性能良好。

1 單元設計

天線單元為分層結構，由兩層微帶和介質板組成。下層微帶包括輻射單元、饋電端口和匹配枝節，上層微帶包括上層貼片和寄生單元。傳統的雙層微帶天線本身就可以滿足一定的帶寬要求，本文在下層微帶的饋電端口上增加一個匹配枝節，上層貼片四周放置了4個寄生貼片，進一步擴展了天線的帶寬。

如圖1所示，天線單元由兩層介質板組成，上下層介質板之間夾著一層空氣，厚度0.75 mm。介質板厚度0.254 mm，介電常數2.2。上、下層貼片的結構俯視如圖2所示。饋電端口位于下層介質板，與下層貼片共面，匹配枝節長度是L4，寬度W3。上層貼片周邊一定距離處環繞著4塊寄生貼片。天線單元關鍵參數及尺寸如表1所示。

表1 天線單元關鍵參數及尺寸

續表1

圖1 天線結構俯視圖和側視

圖2 貼片俯視

采用全波電磁仿真軟件CST2015對天線單元進行仿真驗證。天線回波損耗仿真結果如圖3所示，可以看出在12.5 ～14.8 GHz天線的回波損耗小于﹣10 dB，相對阻抗帶寬達到了17.2%。13.75 GHz（中心頻點）V面方向圖如圖4所示，天線增益9.5 dBi，13.75 GHz H面方向圖如圖5所示。全頻帶內增益隨頻率變化曲線如圖6所示，增益是隨著頻率增加而遞增的，整個頻帶內增益大于8.4 dBi。

圖3 天線單元回波損耗

圖4 13.75 GHz V面方向圖

圖5 13.75GHz H面方向圖

圖6 天線增益隨頻率變化曲線

2 陣列設計

根據以上設計的天線單元，本文設計了一個四單元微帶天線陣列，結構如圖7所示。饋電網絡采用的是并饋形式。采用多節阻抗變換結構進行阻抗匹配，保證天線陣的帶寬。陣列設計中考慮了減少饋電網絡中的寄生輻射和損耗對天線增益的影響。天線陣尺寸長70 mm，寬15 mm。四單元天線陣在13.75 GHz的垂直極化輻射方向圖如圖8所示，增益15.1 dBi。

圖7 四單元天線陣

圖8 13.75 GHz四單元陣輻射方向圖

3 結語

本文采用雙層貼片微帶天線，在饋線上增加匹配枝節和上層貼片增加附加寄生單元的技術實現了一種新穎的高增益、寬帶微帶天線陣。天線結構簡單，加工方便。仿真結果表明，天線單元帶寬12.5～14.8 GHz，相對阻抗帶寬17.2%，增益大于8.4 dBi。四單元天線陣的增益可達15.1 dBi。結果表明天線具有良好的性能，以此為基礎設計適合實際應用需求的Ku頻段寬帶微帶天線陣，適合應用在衛星通信動中通天線領域，也適合應用在雷達和導航等領域。

[1]鐘順時.微帶天線理論與應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，1991.

[2]張琦，萬國賓，李裕，等.一種新型Ku波段超寬帶微帶天線的仿真設計[J].微波學報，2012（6）：53-56.

[3]ZhANG FL，PANG SK. A method for designing broad-hand microstip antennas in multilayered palnar structures[J].IEEE Trans ations on Antennas Propag ation，1997（9）：1416-1420.

[4]WU CK，WONG KL. Broadband microstrip antenna with directly coupled and gap-coupled parasitic patches[J].Microwave Optical Technology Letters，1999（5）：348-349.

Design of a novel Ku-band broadband microstrip antenna array

Li Fei
（Nanjing Panda Han Da Technology Co., Ltd., Nanjing 210014, China）

This paper designs a novel Ku-band broadband microstrip antenna array. The antenna element of the array is a layered structure. By adding a matching branch to the feeder, the upper patch attached parasitic unit, to achieve a wide band performance. The simulation results show that the relative impedance bandwidth of the antenna element（S11＜-10 dB）is 17.2% and the gain in the band is larger than 8.4 dBi. The gain of the four-cell antenna array is greater than 15.1 dBi.

Ku-band; microstrip antenna array; broadband

李飛（1983— ），男，河南開封。