一種新穎的Ku頻段寬帶微帶天線陣的設(shè)計(jì)

李 飛

（南京熊貓漢達(dá)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(shè)計(jì)

李 飛

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇 南京 210014）

文章設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，通過在饋線增加匹配枝節(jié)，上層貼片附加寄生單元，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶性能。仿真表明，天線單元的相對(duì)阻抗帶寬（S11＜﹣10 dB）達(dá)到了17.2%，頻帶內(nèi)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(shù)的發(fā)展，無線通信領(lǐng)域?qū)νㄐ艓挼囊笤絹碓礁撸脩魧?duì)高速數(shù)據(jù)、高清視頻的需求是沒有盡頭的。因此不斷擴(kuò)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(lǐng)域的一個(gè)長期研究目標(biāo)。對(duì)于工作在Ku頻段的動(dòng)中通衛(wèi)星通信天線，帶寬越寬，能力越強(qiáng)，越能適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

微帶天線是利用微帶線或同軸線等饋線饋電，在導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵(lì)起射頻電磁場(chǎng)，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(yōu)點(diǎn)，廣泛用于雷達(dá)和通信領(lǐng)域[2]。但是，微帶天線缺點(diǎn)是帶寬比較窄。研究表明，采用多層結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)等措施可以一定程度地增加微帶天線的帶寬。

本文設(shè)計(jì)了一種新穎的Ku頻段寬帶微帶天線陣，結(jié)構(gòu)簡單、加工方便。仿真結(jié)果表明，天線在寬帶范圍內(nèi)有較高和較平坦的增益，性能良好。

1 單元設(shè)計(jì)

天線單元為分層結(jié)構(gòu)，由兩層微帶和介質(zhì)板組成。下層微帶包括輻射單元、饋電端口和匹配枝節(jié)，上層微帶包括上層貼片和寄生單元。傳統(tǒng)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(gè)匹配枝節(jié)，上層貼片四周放置了4個(gè)寄生貼片，進(jìn)一步擴(kuò)展了天線的帶寬。

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

表1 天線單元關(guān)鍵參數(shù)及尺寸

續(xù)表1

圖1 天線結(jié)構(gòu)俯視圖和側(cè)視

圖2 貼片俯視

采用全波電磁仿真軟件CST2015對(duì)天線單元進(jìn)行仿真驗(yàn)證。天線回波損耗仿真結(jié)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(duì)阻抗帶寬達(dá)到了17.2%。13.75 GHz（中心頻點(diǎn)）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(nèi)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(gè)頻帶內(nèi)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(shè)計(jì)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)的天線單元，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)四單元微帶天線陣列，結(jié)構(gòu)如圖7所示。饋電網(wǎng)絡(luò)采用的是并饋形式。采用多節(jié)阻抗變換結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻抗匹配，保證天線陣的帶寬。陣列設(shè)計(jì)中考慮了減少饋電網(wǎng)絡(luò)中的寄生輻射和損耗對(duì)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(jié)語

本文采用雙層貼片微帶天線，在饋線上增加匹配枝節(jié)和上層貼片增加附加寄生單元的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種新穎的高增益、寬帶微帶天線陣。天線結(jié)構(gòu)簡單，加工方便。仿真結(jié)果表明，天線單元帶寬12.5～14.8 GHz，相對(duì)阻抗帶寬17.2%，增益大于8.4 dBi。四單元天線陣的增益可達(dá)15.1 dBi。結(jié)果表明天線具有良好的性能，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)適合實(shí)際應(yīng)用需求的Ku頻段寬帶微帶天線陣，適合應(yīng)用在衛(wèi)星通信動(dòng)中通天線領(lǐng)域，也適合應(yīng)用在雷達(dá)和導(dǎo)航等領(lǐng)域。

[1]鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)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(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào)，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。