一种Ku波段宽带微带天线阵的设计

张 青，夏 翔，徐远超

(中国航天科工集团8511研究所,江苏 南京 210007)



一种Ku波段宽带微带天线阵的设计

张 青，夏 翔，徐远超

(中国航天科工集团8511研究所,江苏 南京 210007)

设计了一个中心频率为16GHz具有宽频带高增益特性的8单元微带天线阵。综合运用H 型缝隙耦合馈电技术、插入空气层技术方法展宽天线的带宽。使用三维电磁场仿真软件(Ansoft HFSS)对微带天线进行仿真优化，仿真结果表明，天线单元性能良好，相对阻抗带宽(S11≤-10dB)为10.9%，增益为8.6dB。八单元天线阵列相对阻抗带宽达到11.3%，增益为16dB。天线阵列性能良好，设计方法具有很好的可扩展性。

Ku波段；宽频带；耦合馈电

0 引言

随着现代无线通信技术的飞速进步，天线技术的发展也是日新月异，天线形式更是层出不穷。微带天线以其体积小、质量轻、低剖面、易与有源器件集成、能与载体共形等诸多优点，日益受到人们青睐。但是，普通的微带天线带宽一般相对较窄，这限制了它在许多无线通信系统中的广泛应用。因此，微带天线的宽频带特性一直是研究热点。近年来，许多国内外学者在宽频带微带天线研究方面做了大量工作，并取得了很好的成果。对于宽频带天线的设计大多是采用多层贴片构成宽频带天线，但是这样会使天线的厚度加大，并且多层贴片要考虑贴片的对齐问题，增加了加工的难度[1-2]。

为了解决以上问题，本文设计了一种由一层辐射贴片和两层带状线介质板组成的微带天线阵列。采用了H型缝隙耦合馈电技术和引入空气层技术展宽了天线的频带[3-4]。该四元天线阵的中心频率为16GHz，工作在Ku波段。

1 天线结构

天线单元结构如图1所示，图1(a)为3D 视图、图1(b)为俯视图。天线由三层介质板组成，正方形辐射贴片蚀刻于上层介质板下侧，H型缝隙耦合馈电位于中间介质板的上表面，微带馈线位于下两层介质板中间，为带状线馈电，接地板位于天线底部。馈电层与辐射贴片由空气层隔开，其间距为h=1.9mm。引入空气层以降低微带天线Q值，从而达到增加带宽的目的。辐射贴片长度决定谐振频率，而宽度对耦合程度影响很大。辐射贴片分别决定了微带天线谐振频率，并在一定范围内调整，可实现宽频带目的[5]。接地板上蚀刻“H”字形隙缝与辐射贴片中心重合, 隙缝长度、宽度对天线的谐振频率和耦合程度都有较大的影响。为避免后向辐射，缝隙长度在满足工作带宽条件下不宜过长。微带馈线终端开路，采用中心馈电方式。调节微带馈线宽度Wf和调谐支节Ls可实现天线阻抗匹配、消除谐振频率漂移现象。上层辐射介质板采用εr1=2．2、h1=1mm 的微带板；馈电介质板采用εr2=2．65、h2=1mm的微带板。利用电磁仿真软件HFSS对天线单元各参数进行优化得：上辐射贴片L=7.5mm ,W=7.5mm，耦合口径Wa=0.19mm,La=5.1mm,馈线宽度Wf=1.13mm,调谐支节Ls=2.8mm 。

天线单元端口反射系数仿真结果如图2所示。在15.07～16.8GHz内S11≤-10 dB，相对阻抗带宽达到10.9%,f=16GHz时天线单元辐射方向图如图3所示,天线增益为8.5dB。

图1 天线单元结构

图2 天线单元反射系数

图3 天线单元增益

2 天线阵列的设计与测试

天线阵列的带宽除了受天线单元本身的谐振特性的影响外，馈电网络也起到很大的作用。本文设计的匹配网络采用等幅同相并馈网络，利用等功分T形接头连接各阵元，连接处采用两节λ/4阻抗变换器保证端口与连接线的阻抗匹配同时也进一步展宽频带。由于采用了等幅同相的馈电网络以及缝隙耦合技术，使得馈线网络与辐射单元之间有接地板隔离，因此，天线阵列的方向图的频带特性与馈电网络无关，仅取决于阵元的排列分布。天线阵列的方向性系数和增益随着d/λ(d为阵元间距，λ为中心频率的波长)的变化而变化。研究表明当d为0.7～0.8时，方向性系数和增益达到最佳，因此，选择阵元间距d=9mm。设计的八元阵列天线结构如图4所示，仿真优化后的阵列反射系数仿真结果如图5所示。在15.04～16．83GHz频段内S11≤-10dB，相对阻抗带宽为11.3%，f=15.175GHz、f=16.05GHz、f=16.75GHz时的阵列天线E面和H面的增益方向图如图6所示，阵列仿真增益达到15.8dB。

图4 八元阵列天线结构

图5 阵列反射系数

图6 增益方向图

根据仿真优化的结果制作了实物模型。使用Agilent N5230A矢量网络分析仪对天线的s参数进行了测试。测试结果如图7所示。

测试结果表明，在15～16.8GHz内VSWR≤2.5，与仿真值基本一致。对天线方向图进行了测量，图8(a)、(b)分别给出了在15.175GHz、16.05GHz和16.75GHz处天线实测与仿真的E面和H面远场方向图，实测增益达到16dB。实测结果与仿真结果相比增益高了约0.5dB，测试结果与仿真结果吻合较好。

图7 天线单元实测驻波

图8 阵列天线实测增益方向图

3 结束语

本文提出了一种新型结构的宽频带高增益微带天线，使用H型缝隙耦合馈电扩展天线带宽，在天线底面加金属反射板减小天线的后向辐射。利用高频仿真软件HFSS进行辅助设计，仿真结果显示,该天线的阻抗相对带宽达11.3%，阵列天线增益大于16dB,该结构天线具有良好的宽频谐振特性和辐射特性。■

[1] 杨帅，冯全源．缝隙加载的宽频带圆极化微带天线[J]．探测与控制学报，2009，31(5):77-80．

[2] 王宇，姜兴，李思敏．Ku波段宽频带双极化微带天线阵的设计[J]．电波科学学报，2008，23(4):276-279．

[3] 李书杰，鄢泽洪，张小苗．一16元Ku波段微带天线阵的设计[J]．微波学报，2006，22:32-34．

[4] 潘雪明，王泽美，焦永昌，等．一种开双H型槽的新型宽频带微带天线[J]．电波科学学报，2005，20(5):656-659．

[5] 李秀萍,安毅，徐晓文，等. 多层微带贴片天线单元和阵列设计[J]. 电子与信息学报, 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。

张青(1985-)，男，工程师，主要研究方向为宽带天线、阵列天线、多波束天线。

TN97; TN822+<.8 class="emphasis_bold">.8 文献标识码：A.8

A