串联邻近耦合馈电微带天线阵列的设计
吴跃敏;汪敏;李翌璇;吴文
【摘要】针对高增益、高效率的微带天线需求,将邻近耦合馈电引入串馈微带阵列,提出两种串联谐振微带天线阵列设计.首先研制出1×16元低副瓣串联天线阵列,工作频率35 GHz,测试得到增益为17.3 dBi,带宽4.3％,副瓣电平-17.6 dB.在上述馈电方式中引入U型谐振器及馈电缝隙,提出一种串联邻近耦合馈电的双频正交极化天线阵列,中心频率分别为4.5 GHz和5.0 GHz,两个频带内带宽分别为5.0％和7.8％,隔离良好,中心频率处增益为7.6 dBi和8.2 dBi.这种馈电方式便于组成高效率的大阵列,同时具有良好带宽,在实现多功能共口径阵列中具有独特优势.
【期刊名称】《电讯技术》
【年(卷),期】2019(059)003
【总页数】6页(P337-342)
【关键词】共口径阵列;微带天线;串联馈电;邻近耦合;正交极化
【作者】吴跃敏;汪敏;李翌璇;吴文
【作者单位】南京理工大学电子工程与光电技术学院,南京210094;南京理工大学电子工程与光电技术学院,南京210094;南京理工大学电子工程与光电技术学院,南京210094;南京理工大学电子工程与光电技术学院,南京210094
【正文语种】中文
【中图分类】TN820
1 引言
微带贴片天线由带导体接地板的介质基片上贴加导体薄片形成，具有剖面薄、体积小、重量轻等优点，广泛应用于无线电设备中[1]。增益是天线的重要指标，高增
益天线可以有效提高系统的灵敏度，降低对系统中其他部件的性能要求和复杂度。共口径天线将不同性能以及不同功能的天线共用同一个口径，例如多频多极化、多波束天线等。随着通信、雷达系统逐步向宽带、多功能、集成化方向发展[2]，宽带、高增益、高效率以及共口径的微带阵列天线越来越受到关注。
对微带贴片单元的馈电通常有同轴馈电、微带线直接馈电、孔径耦合馈电以及邻近耦合馈电等方式。同轴馈电不便于组阵；微带线直接馈电带宽较窄；孔径耦合和邻近耦合馈电两种方式属于非接触式馈电，具有良好的带宽特性，但两者多采用多层结构，加工困难[3]。对微带天线组阵时，馈电网络一般有并联和串联两种方式。
并联馈电阵列的阻抗带宽较宽，与单元的带宽相当；但是，馈电网络所占空间大，不利于实现多功能共口径天线设计[4]。文献[5]中作者在改进型功分器的基础上，
设计了24 GHz并联馈电的28阵列的接收天线，经过仿真得到带宽3.2%，增益17.5 dBi较低，馈线较长、损耗大使得馈电效率降低。串联馈电馈线短、损耗小，简单的馈线布局对共口径天线设计非常有利；但是在组成长的驻波阵列时，带宽很窄[6]。文献[7]以串联馈电方式对角馈贴片进行研究，设计出1212角馈天线阵列，带宽仅为1.9%。带宽特性良好的串联馈电网络对于设计高增益、多功能共口径微带天线阵列具有重要的意义。文献[8]提出一种串联邻近耦合馈电的驻波微带阵列，获得了良好的频带滤波特性。邻近耦合馈电的宽带优势在构建宽带的串联馈电微带天线阵列的研究值得关注。
本文首先研究一种单层基片结构的微带线邻近耦合馈电的贴片单元，对其等效电路进行建模，指出天线单元等效于对微带线的串联辐射阻抗，其大小可通过改变耦合
缝隙的尺寸进行调节。基于上述模型，设计并加工出中心频率在35 GHz的116低副瓣微带线阵，天线带宽为4.3%，增益达到17.3 dBi，副瓣电平-17.6 dB。测试结果与仿真结果相符。在上述馈电方式中引入U型谐振器及馈电缝隙，提出一种双层结构的串联邻近耦合馈电的双频正交极化天线阵列，中心频率分别为4.5 GHz和5.0 GHz，频带内带宽分别为5.0%和7.8%，隔离良好，中心频率处增益为7.6 dBi和8.2 dBi。两种设计均为串联馈电，具有良好带宽特性，在实现高增益以及多功能共口径的微带阵列天线时具有独特的优势。
2 单元设计
2.1 天线结构
本文设计的新型串馈微带天线阵列的单元如图1(a)所示。单元由一段开路线和微带贴片组成，介质板选用h=0.254 mm的Rogers RT/duroid 5880(εr=2.2，tan δ=0.000 9)。微带线上由于开路形成驻波，通过缝隙耦合给贴片馈电。为了控制耦合强度，将贴片等分为上下两部分。观察微带线上电流分布，调整贴片位置使得其分布在电流同相位置，设置贴片初始长度a为0.4λg，b为0.5λg，馈线宽度wf为0.3 mm。
图1 贴片单元结构及等效电路
如图1(a)所示，不同频率的电流经过开路微带线，其波腹点对应的位置不同。中心频率处，贴片中心对应电流的最大位置，组阵时，阵元同相工作，边射方向的辐射场因叠加而增强；而对于带外频率，贴片上产生的耦合电流不同相，特定的频率上贴片间的电流甚至反相，辐射受到抑制。这种馈电方式不但结构简单，组阵设计时没有庞大复杂的馈电网络，还具有一定的滤波特性，边沿选择性好[8]。
2.2 单元等效网络
对于一段终端开路的传输线，其沿线阻抗为
Zin(z)=-jZ0cot βz。
(1)
式中：β=2π/λ。
可知，终端开路线上的输入阻抗随z按余切函数规律变化，可以根据余切函数在各坐标轴上的零、极点特性和在各象限的正、负极性直观判断相应长度短截线的电路特性[9]。本文设计的单元中心距离开路线终端为3λg/4，对应馈线阻抗为短路，可以等效为串联谐振。该天线由一段开路微带线上的电流经缝隙耦合馈电，根据图1，贴片中心位于电流最大处，磁场分布达到最大，形成磁耦合，对应到等效电路上表现为电感。邻近缝隙等效为串联电容。该单元的等效电路如图1(b)所示。2.3 单元阻抗分析
由于单元可以等效为一个串联阻抗，采用双端口网络的方法分析其阻抗特性。利用设置Waveport和De-embed的技术，调节计算S参数时的参考面，去掉馈线影响。与文献[10]类似，可以推导出，用S11表示贴片中心处归一化阻抗为
(2)
调节贴片位置，使得其位于馈线电流同相部分以激励贴片。调节贴片a和b，观察归一化阻抗图使得贴片谐振在频率35 GHz，经过HFSS仿真优化，确定a=2.68 mm，b=3.4 mm。改变两贴片之间的间距dt以获得好的阻抗匹配，分析不同dt 下的归一化阻抗大小如图2所示。当缝隙大小dt增大，归一化阻抗减小，即当辐射贴片距离馈线越远时，耦合的能量越小。单元的阻抗特性分析，对于组阵设计低副瓣阵列天线具有重要意义。
图2 不同间距dt下的归一化阻抗
3 低副瓣阵列设计
3.1 阵列结构及原理
本节设计出116的串馈宽带低副瓣微带天线阵列，结构包括一段开路微带传输线
和16个贴片，传输线上的电流经缝隙邻近耦合馈电到贴片。截选出4元贴片结构以及中心频率35 GHz处，开路传输线电流形成驻波如图3所示。由于馈线不同位置的电流分布不同，而贴片又是由馈线耦合激励的，当贴片位于馈线的不同位置时，其电流分布也不同，即馈线上的电流直接影响贴片电流分布。本文调节阵元间距为λg使得阵元之间同相辐射以获得边射方向的高增益。
图3 等幅阵列的结构及馈线上的电流分布
在确定单元长宽a和b的基础上，调节l0、d和l4控制贴片的耦合区域使得贴片中心位于电流波腹点且阵元得以被馈线上的电流同相激励，调节dt改变天线的辐射电阻以获得良好的阻抗匹配。对于16元阵列，经过HFSS仿真，最终优化的参数l0=1.9 mm，d=3.7 mm，l4=3.1 mm，dt=0.8 mm。
3.2 阵列低副瓣设计
为了实现低副瓣特性，运用泰勒分布控制阵元电流大小[11]，根据2.3节有关单元阻抗特性的分析，调整每个贴片与馈线的缝隙大小dt改变阻抗从而改变耦合到贴片上的功率。
本节设计一个由16个阵元组成的串联谐振式驻波阵，采用泰勒电流分布，按照副瓣电平20 dB，等副瓣数进行设计，前8个阵元的电平分布an以及贴片中心归一化阻抗大小Rn如表1所示，其中后8个与前8个阵元对称分布。
表1 阵元电流分布及归一化阻抗大小
nanRn10.520.02820.560.03230.630.04040.710.05250.810.06760.900.08270. 960.09581.000.103
在等幅16元阵的基础上，即保持l0、d和l4参数优化的结果，根据单元与微带线缝隙大小dt与归一化阻抗的对应关系，调节每个阵元与馈线的间距改变其阻抗大小使得满足上述泰勒分布，实物加工如图4所示。
图4 35 GHz 116天线阵列实物
按照泰勒分布，改变每个阵元与缝隙的间距dt，经过HFSS仿真优化，最后确定
一侧8个耦合缝隙的尺寸分别为dt1=1.14 mm，dt2=1.09 mm，dt3=0.98 mm，dt4=0.81 m，dt5=0.69 mm，dt6=0.58 mm，dt7=0.52 mm，dt8=0.48 mm。对16元阵列仿真、测试得到的S参数如图5所示。仿真结果表明，该116串馈
泰勒阵的阻抗带宽为3.4%(34.5～35.7 GHz)，串联电容的存在，一定程度上引入
了左手传输线特性[12]，展宽了天线的带宽。同时，边沿陡峭，有一定的滤波效果。实测的谐振频率稍微向左偏，这是加工误差造成的。回波损耗总体略变大，阻抗带宽4.3%(33.7～35.3 GHz)，比仿真结果略宽，这是安装测试中引入同轴接头的损
耗所致。测试结果与仿真较为相符，验证了这种邻近耦合馈电方式可以明显改善串馈天线阵列的带宽性能。
图5 35 GHz 116阵列S11
该天线阵列带宽内3个频点的主极化方向图如图6所示。
(a)34.5 GHz
(b)35 GHz
(c)35.3 GHz图6 116阵列归一化方向图
图6显示，在34.5 GHz、35 GHz和35.3 GHz处仿真得到的增益分别为19.4 dBi、19.9 dBi和19.7 dBi，对应天线口径效率约为64.1%；中心频率处副瓣电平为-19.2 dB。实测的方向图与仿真的结果基本一致，但由于测量中阵列安装时轴线水平一致性不够准确，导致θ负方向一侧的副瓣电平较大。同时，由于测试源的
功率较低，方向图信噪比较差，测试得到副瓣电平为-17.6 dB，比仿真优化结果差了1.6 dB。实际测试得到天线增益为17.3 dBi，考虑到测试连接部件有1～2 dB
的损耗，实测值与仿真值一致。
4 双频正交极化应用
对微带线与贴片的耦合方式改进，可实现串联邻近耦合馈电的多功能微带阵列。本
节提出一种串联邻近耦合式双频正交极化天线阵列。它采用双层介质基片结构，在贴片与微带线之间引入了U型谐振器及馈电缝隙，实现了单根微带线同时对两个不同频率、极化正交的贴片进行馈电，天线带宽性能良好，两频率之间具有良好的隔离度。
4.1 单频单极化天线的设计
天线的两个工作频率设计为4.5 GHz和5.0 GHz。采用双层Rogers RO4003介质板(εr=3.55，tan δ=0.002 7)，上层介质板厚度h1为1.524 mm，下层介质板厚度h2为0.813 mm。开路馈线以及U型谐振器放置在下层基板底端，两基板中间为地，馈线通过地上的缝隙对位于上层基板顶端的贴片馈电。这种馈电方式加入U型谐振器，引入新的谐振点，可认为天线是第二阶谐振并进行辐射[13]。
为了实现双频正交极化，本文提出双层设计，即馈线与贴片不在同一层。微带线上的电流耦合到U型谐振器上经地面缝隙馈电到方形贴片。U型谐振器是折叠的两端开路的λg/2谐振器，调节其总长度为λg/2使其谐振在中心频率，与贴片谐振频率一致，通过改变微带线和U型谐振器的间距以及地面上的耦合缝隙相对贴片的位置调节阻抗匹配，通过调节地面缝隙的长和宽控制耦合强度调节带宽。
4.2 双频正交极化天线阵列的设计
设计出以4.5 GHz和5.0 GHz为中心频率的双频正交极化天线阵列，其结构如图7所示(图中5.0 GHz与4.5 GHz对应的参数，表示方法在其后加下角标n，不再赘述)。
图7 双频正交极化天线阵列结构图
如图7所示，5.0 GHz处通过一段λg/2的L型谐振器的转换使得其极化方向与4.5 GHz贴片正交，两贴片位于各自电流的同相位置。经过HFSS仿真优化，最终的参数设置如表2所示。
表2 双频正交极化天线阵列相关参数 mm参数取值
l85w1.6l17.3l26.2lp16.3ws0.2ls8d1.65w00.5s00.2d014.5d139参数取值
l1n6.55l2n5.35lpn14.2wsn0.4lsn6.8dn2.65w0n0.45s0n0.1l67.95l710.2d0n10. 4d1n34
该双频正交极化天线在不同频率下的电场分布如图8所示，可以看出，当谐振频
率为4.5 GHz时，低频贴片被激励，处于谐振状态，而高频贴片几乎没有受到激励；同样地，在5.0 GHz时，低频贴片没有电场分布，而高频贴片受到激励辐射
能量。另外，由于高频贴片结构上加入L型谐振器扭转了极化方向，两贴片在各
自谐振时辐射出正交极化电磁波。
图8 双频正交极化天线阵列在不同频率下的电场分布
天线实物图如图9所示。
图9 双频正交极化天线阵列实物图
经过HFSS仿真以及测试的S11如图10所示。其中，仿真的低频和高频阻抗带宽分别为3.8%(4.38～4.55 GHz)和4.4%(4.94～5.16 GHz)，测试得到的两个频带
的阻抗带宽分别为5.0%(4.29～4.51 GHz)和7.8%(4.89～5.29 GHz)，加工误差
造成测试的谐振频率与仿真略微偏差，总体结果与仿真一致。在两个贴片离得很近的情况下，频带之间的隔离度良好。
图10 双频正交极化天线阵列S11
天线的方向图如图11所示，其中实线部分为实测结果，虚线部分为仿真结果，测试与仿真结果一致。天线在4.5 GHz和5.0 GHz的增益分别为7.6 dBi和8.2 dBi，辐射效率分别为86.8%和84.9%，交叉极化均在-20 dB以下。由图可以看出，天线结构的不对称导致了方向图的波束指向略微偏离了边射方向；但在组成较大阵列以后，由于阵因子的作用，这种略微的偏离对阵列方向图的波束指向不会有太大影响。
(a)4.5 GHz
(b)5.0 GHz图11 双频正交极化天线阵列方向图
5 结论
高增益、多功能共口径微带阵列具有重要的工程价值，广泛应用于通信、雷达等领域。保证馈电网络损耗低、拓扑简单并具有良好的带宽特性是进行此类设计的关键技术之一。串联馈电方式中，简单的馈线布局对共口径天线设计非常有利，在组天线阵列时具有高效率的优点；但在组成较长的驻波阵列时，带宽很窄。本文利用邻近耦合馈电方式提出两种串馈天线阵列设计，设计的两种阵列，结构简单，设计灵活，带宽性能良好，在实现高增益以及多功能共口径应用中具有独特的优势。
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微带天线综述 摘要：近年来，随着个人通讯和移动通讯技术的迅速发展，在天线的设计上提出了小型化和宽频带的要求。而微带天线具有结构紧凑、外观优美、体积小重量轻。等优点，得到广泛的应用。但是，低增益、窄带宽的缺陷也限制了微带天线的使用。因此本文除了对微带天线做了基本介绍外，还对微带天线最基本的小型化技术、宽频带技术进行了探讨、分析和归纳。 关键词：微带天线小型化宽频带 一、引言 随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的无线移动通信技术己引起了人们的极大关注，在整个无线通讯系统中，天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件，其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作用。快速发展的移动通信系统需要的是小型化、宽频带、多功能(多频段、多极化)、高性能的天线。微带天线作为天线家祖的重要一员，经过近几十年的发展，已经取得了可喜的进步，在移动终端中采用内置微带天线，不但可以减小天线对于人体的辐射，还可使手机的外形设计多样化，因此内置微带天线将是未来手机天线技术的发展方向之一，但其固有的窄带特性（常规微带天线约为2%左右）在很多情况下成了制约其应用的一个瓶颈，因此设计出具有宽频带小型化的微带天线不但具有一定的理论价值而且具有重要的应用价值，这也成为当前国际天线界研究的热点之一。本论文的主要工作就是提出这类天线的一些简单设计方法。 二、微带天线 2.1微带天线[2]的发展史及种类 早在1953年G. A. DcDhamps教授就提出利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念。但是，在接下来的近20年里，对此只有一些零星的研究。直到1972年，由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求，芒森(R．E．Munson)和豪威尔(J．Q．Howell)等研究者制成了第一批实用的微带天线[1]。随之，国际上展开了对微带天线的广泛研究和应用。1979年在美国新墨西哥州大学举行了微带天线的专题目际会议，1981年IEEE天线与传播会刊在1月号上刊载了微带天线专辑。至此，微带天线已形成为天线领域中的一个专门分支，两本微带天线专辑也相继问世，至今已有近十本书。可见，70年代是微带天线取得突破性进展的时期；在80年代中，微带天线无论在理论与应用的深度上和广度上都获得了进一步的发展；今天，这一新型天线已趋于成熟，其应用正在与日俱增。 微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴导体薄片而形成的天线。它一般利用微带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，
微带贴片天线阵列的研究与设计 随着无线通信技术的快速发展，天线作为无线通信系统的重要组件，其性能和设计受到了广泛。微带贴片天线作为一种常见的平面天线，具有体积小、重量轻、易于集成等优点，被广泛应用于现代通信系统中。本文将重点探讨微带贴片天线阵列的研究与设计。 微带贴片天线的基本原理是利用微带线来传输信号，并在贴片表面形成电磁场，从而实现电磁波的辐射和接收。微带贴片天线的应用范围广泛，如移动通信、卫星通信、雷达等领域。为了满足现代通信系统的需求，微带贴片天线阵列的研究与设计成为了关键。 微带贴片天线阵列的研究与设计方法包括理论分析、实验测试和数据分析。理论分析是研究微带贴片天线阵列的基础，通过建立模型来分析天线的辐射特性和性能参数。常用的分析方法包括电磁场理论和有限元法等。实验测试是研究微带贴片天线阵列的重要环节，通过测试数据来验证理论分析的正确性。实验测试包括天线性能参数的测量和辐射特性的测试等。数据分析是对实验测试结果进行处理和解释的过程，通过对比不同数据来优化天线阵列的设计。 实验结果表明，微带贴片天线阵列具有优良的性能特点和优势。微带贴片天线阵列的辐射性能较强，能够实现方向性和增益的控制。微带
贴片天线阵列的带宽较宽，有利于实现多频段通信。微带贴片天线阵列易于集成和制造，具有较低的成本和较高的可靠性。这些优点使得微带贴片天线阵列在未来通信领域中具有广泛的应用前景。 本文通过对微带贴片天线阵列的研究与设计，总结了其性能特点和优势，并指出了微带贴片天线阵列在技术创新和应用推广方面的意义。微带贴片天线阵列作为一种重要的平面天线，具有广泛的应用前景。在未来的研究中，可以进一步探索微带贴片天线阵列的高效设计和优化方法，提高其性能和可靠性，以满足不断发展的无线通信需求。 随着无线通信技术的快速发展，天线作为通信系统中关键的组成部分，其性能和设计受到了广泛。特别是高性能宽带双极化微带贴片天线，其在无线通信领域具有广泛的应用前景。本文将围绕高性能宽带双极化微带贴片天线的设计进行深入研究，旨在为未来无线通信领域提供高性能的天线解决方案。 在设计高性能宽带双极化微带贴片天线时，需要综合考虑天线的性能、体积、成本等因素。为实现这一目标，我们制定了如下设计流程： 确定设计目标：综合考虑性能、体积、成本等因素，设定设计目标。研究双极化微带贴片天线的相关理论：了解微带贴片天线的辐射机制
小型微带天线分析与设计 随着无线通信技术的快速发展，天线作为无线通信系统的重要组成部分，其性能和尺寸成为了的焦点。其中，微带天线由于其独特的优点在无线通信领域得到了广泛的应用。本文将主要对小型微带天线的分析与设计进行深入探讨。 微带天线简介 微带天线是一种由导体薄片贴在介质基板上形成的天线。由于其具有体积小、易于集成、易于制作等优点，被广泛应用于移动通信、卫星导航等领域。微带天线的分析主要涉及电磁场理论、微波传输线和电路理论等方面的知识，而设计则主要天线的性能优化和尺寸减小。 小型微带天线的分析 微带天线的特点 微带天线的主要特点包括体积小、重量轻、易于制作和低成本等。微带天线还具有可共形和可集成的优点，使其能够适应不同的应用场景和设备形状。同时，微带天线的带宽较宽，能够覆盖多个通信频段。微带天线的分析方法
微带天线的分析主要涉及电磁场理论、微波传输线和电路理论等方面的知识。常用的分析方法包括有限元法、边界元法、高频近似方法等。这些方法可以根据具体问题选择合适的求解器和计算精度。 小型微带天线的优化设计 微带天线的设计要素 微带天线的优化设计主要天线的性能优化和尺寸减小。设计要素包括基板材料、基板厚度、贴片形状和尺寸、缝隙大小和位置等。通过对这些要素的优化，可以提高天线的辐射效率、增益和方向性等性能。微带天线的优化方法 微带天线的优化方法包括仿真优化和理论优化。仿真优化通过电磁仿真软件对天线进行建模和仿真，根据性能指标进行优化。理论优化则是通过对天线理论的深入研究，提出优化的设计方案。也可以将两种方法结合使用，以获得更佳的设计效果。 小型微带天线的应用前景及挑战 应用前景 随着无线通信技术的不断发展，小型微带天线具有广泛的应用前景。
毫米波微带阵列天线研究 随着通信技术的快速发展，毫米波微带阵列天线已成为无线通信领域的研究热点。本文将介绍毫米波微带阵列天线的原理和特点，探讨其设计和实现方法，并分析实验结果。本文将总结研究结论并展望未来研究方向。 毫米波微带阵列天线是一种基于微带天线技术的阵列天线。微带天线具有体积小、重量轻、易共形、低成本等优点，而毫米波具有宽带宽、高速度、低延迟等特性。因此，毫米波微带阵列天线具有潜在的广泛应用前景，如在5G通信、卫星通信、雷达等领域。 毫米波微带阵列天线的原理是利用微带天线的基本原理，将辐射单元集成在介质基板上。辐射单元可以是矩形、圆形或其他形状，一般通过印制电路技术制造。毫米波微带阵列天线的主要特点包括宽带宽、高定向性、低副瓣电平、高辐射效率等。 设计毫米波微带阵列天线时，需要考虑以下因素： 阵列规模：根据应用需求，确定阵列规模大小。一般来说，阵列规模越大，天线性能越好。但同时需要考虑实现复杂度和成本等因素。 辐射单元排列：辐射单元的排列方式对天线性能有重要影响。常见的
排列方式包括直线型、圆环型、平面型等。 介质基板选择：介质基板的材料和厚度对天线的性能也有重要影响。一般要求介质基板具有低损耗角、高介电常数等特性。 天线馈电方式：天线的馈电方式包括同轴线馈电、微带线馈电、耦合馈电等。选择馈电方式时需要考虑阻抗匹配、功率容量等因素。 根据上述设计因素，可以采用数值仿真方法进行优化设计。常用的数值仿真软件包括Ansoft HFSS、CST等。设计完成后，需要进行实验测试以验证设计结果的正确性。 实验测试是验证毫米波微带阵列天线性能的关键环节。一般需要进行远场测试和近场测试，以评估天线的辐射性能和方向图。同时，还需要测试天线的增益、效率、带宽等指标。实验测试结果可为进一步优化设计提供参考依据。 通过对毫米波微带阵列天线的深入研究，我们可以总结出以下 毫米波微带阵列天线具有宽带宽、高定向性、低副瓣电平、高辐射效率等优点，具有广泛应用前景。 设计和实现毫米波微带阵列天线时，需要考虑阵列规模、辐射单元排
天线方案 在设计2.4GHz 单向无线通信系统中，鉴于传输信号带宽较窄，对天线小型化要求不高（不大于250250mm mm ），因此收发天线采用设计制作简单、材料廉价易得的微带阵列天线，而且由于收发天线互易性，发射与接收天线采用同一设计方案。天线单元采用矩形贴片设计，最后组成2*2的四元微带天线阵列。 该天线具体设计性能指标如下： 工作频率：2.44~2.45GHz 增益：>6dB 下文介绍本微带阵列天线相关的设计理论与设计过程。 上世纪50年代微带辐射器的概念被人提出，70年代初出现了第一批使用的微带天线。微带天线的最基本形式是在有金属导体接地的介质基片上贴加金属导体薄片。贴片可以是任意形状，它是利用微带天线、同轴探针等结构对贴片馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片周围与接地板之间的缝隙向外辐射。因此可认为微带天线是一种缝隙天线。可用不同的天线单元来组成阵列天线，提高其性能来满足不同的需要。 1.贴片单元设计 结构最简单的微带天线是由贴在带有金属底板的介质基片上的辐射贴片所构成的。贴片导体通常是铜或金，它可取任意形状。但是通常都采用常规的形状以简化分析和预期其性能。基片的介电常数应较低，这样可以增强产生辐射的边缘场。微带天线单元货微带天线阵列其结构通常都比较简单，但其电磁场的分析却很复杂。一方面，微带天线的品质因数很高，使得较难得到精确的阻抗特性；并且，戒指的各向异性、加载、损耗、表面波效应等影响也较严重。另一方面，微带天线的几何结构也是多种多样的，包括不同的贴片形状、馈电方法，以及寄生单元或层叠单元的应用，共面馈电网络与有缘线路的集成等。 微带天线的分析方法主要氛围基于简化假设的近似方法和全波分析方法两大类。全波分析方法有更好的适应性和更高的精度，但速度较慢。第一类方法包括传输线模型，空腔模型和分段模型。这种方法将贴片单元当做一段传输线或是空腔谐振器，简化了分析和计算，提高了速度，并且物理概念清晰，可以提供设计的初始数据。 1.1微带天线的传输线模型 W L h 主缝 介质基片z y x
角馈方形微带贴片阵列天线交叉极化的研究-概述说 明以及解释 1.引言 1.1 概述 概述 本文主要研究了角馈方形微带贴片阵列天线的交叉极化特性。随着通信技术的不断发展，对天线性能提出了更高的要求，其中交叉极化是天线设计中一个重要的研究方向。角馈方形微带贴片阵列天线作为一种常见的微波天线，在实际应用中具有广泛的应用价值。本文通过对该天线的设计原理和交叉极化机制进行分析，探讨了其在实验中的表现及可能的改进方向。通过本研究，我们希望能够为微带天线的设计和优化提供一些参考，为未来的天线研究工作提供一定的启示。 1.2 文章结构 文章结构部分旨在给读者一个整体的了解，告诉读者在本文中将会讨论哪些内容和展开哪些分析。本文的结构主要包括引言、正文和结论三个部分。 在引言部分，我们将介绍本研究的背景和动机，并阐明本文的研究对象和研究目的。 正文部分将主要分为三个小节。首先是角馈方形微带贴片阵列天线设
计，我们将介绍天线的设计原理和具体的结构。其次是交叉极化原理分析，我们将对天线的交叉极化机理进行深入探讨。最后是实验结果与讨论，我们将展示实验结果，并对实验结果进行分析和讨论。 结论部分将从总结与回顾、研究意义和展望未来研究方向三个方面展开。我们将总结本文的研究成果，探讨研究的意义，并展望未来在这个领域的研究方向和发展前景。 1.3 目的 本文旨在研究角馈方形微带贴片阵列天线的交叉极化特性。通过设计和分析不同参数下的天线结构，探讨其在交叉极化方面的性能表现，并进一步探讨其在通信系统中的应用潜力。通过实验结果的验证和讨论，加深对该天线结构的理解，为其在实际工程应用中提供参考和指导。同时，本研究也旨在为未来相关领域的研究提供一定的参考和启发，推动微波天线技术的发展。 2.正文 2.1 角馈方形微带贴片阵列天线设计 角馈方形微带贴片阵列天线是一种常用的微波天线，具有较好的指向性和辐射特性。在本研究中，我们设计了一种新型的角馈方形微带贴片阵列天线，旨在实现更好的性能表现。
新型L频段双圆极化微带阵列天线的设计 李文;姚宜东;徐毅;袁伟涛;杨新华;王启申 【摘要】Circularly-polarized array antennas attract more and more attentions in the modern wireless applications because of its specific performance characteristics. A L-band circularly-polarized microstrip patch antenna working in wide axial ratio bandwidth is proposed. The antenna adopts the special double feed network, thus to provide 0 degree feed and 90 degree feed to the two adjacent sides of radiation patch respectively. Two layers of feed network are same in structural size, and connected through the bridge to ensure that the two adjacent sides of radiation patch have 90 degrees phase difference, thus improving circular polarization performance of the antenna. The simulation results show that the microstrip array antenna could work at 1.525~1.559 GHz; with double circular polarized antenna; antenna gain> 13 dBi; VSWR<1.5; E and H plane lobe width> 25°.%圆极化阵列天线由于其自身的性能特点，在现代无线应用中越来越受到广泛的关注。因此，提出一种宽轴比的L频段圆极化贴片天线。该天线采用特殊的双层馈电网络，分别为辐射贴片相邻的两个侧边提供0°和90°馈电。两层馈电网络结构尺寸完全相同，通过电桥连接两层馈电网络，以严格保证辐射贴片相邻两边的馈电幅度以及90°相位差，提高天线圆极化性能。设计结果显示，该天线工作在1.525～1.559 GHz，天线极化方式为左右旋双圆极化，天线增益＞13 dBi，驻波＜1.5，方向图E面波瓣宽度和H面波瓣宽度＞25°。 【期刊名称】《通信技术》
一种一体化集成宽带阵列天线设计 刘志佳;雷冀;庄建楼;韩运忠 【摘要】针对新一代深空探测通信的需求,提出了一种高集成度X频段宽带圆极化微带阵列天线.天线由48单元层叠微带贴片单元和相应的多层馈电网络组成.天线通过耦合馈电技术将辐射单元和馈电网络(BFN)进行一体化集成,采用旋转序列馈电技术提高天线的圆极化性能.对实际设计的天线进行了仿真分析,结果表明:该天线在19.4％的频带范围内具有较好的增益、驻波比和圆极化特性,能够满足新一代深空探测通信任务的需求.%In considering of the requirement of new generation deep space exploration communica tion,an X band high integration broadband circular polarization microstrip array antenna is introduced in this paper.The array antenna is composed of 48 printed stacked microstrip patch elements and multilayer beam forming network (BFN).Coupled feeding technique is appropriate for new array antenna architectures that integrates the radiating elements with the associated BFN.Sequential rotation technique has been applied on the array to obtain broad bandwidth in return axial ratio performance.The simulation results show that the antenna obtain good performance of gain,VSWR (voltage standing wave ratio) and circular polarization over a wide bandwidth (19.4％).The antenna array can meet the requirement of the new generation deep space exploration communication. 【期刊名称】《航天器工程》 【年(卷),期】2016(025)006
毫米波微带天线阵列设计 于慧娟 【期刊名称】《电子元件与材料》 【年(卷),期】2016(35)4 【摘要】A circular aperture millimeter wave series and parallel fed microstrip antenna array was proposed. The antenna was designed with rectangular microstrip patch which was fed by slot-coupled to increase the bandwidth. A series-fed microstrip antenna array was selected in order to use the antenna aperture area effectively and decrease the net complexity. At the same time, according to design of the circular aperture millimeter wave micro-strip antenna array, the part array was series and parallel fed to increase the bandwidth of the microstrip antenna. Results show that the bandwidth of the antenna is about 5%. The simulation result of the antenna’s gain is better than 30.6 dBi in working band. The beam wid th is about 4.0°×3.5° and the side lobe level is lower than –13 dB. Multi beam and phased array functions can be realized with the antenna array and the net.%设计了一个圆口径串并联混合馈电的毫米波微带天线阵列。该天线采用矩形微带工字型缝隙贴片耦合馈电的方法展宽带宽。为了有效利用天线口径面积，减小网络复杂度，选取串联微带天线阵列形式。同时为了展宽带宽，根据设计的圆形口径阵列，将部分子阵采用串并联混合馈电的形式，得到带宽为5%的毫米波微带天线阵列。仿真表明，该天线在工作频带内增益大于30.6 dBi，波束宽度为
基于矩形波导缝隙馈电的阵列天线设计随着通信技术的不断发展，天线的设计也越来越受到关注。天线是无线通信系统中最重要的组成部分之一，它的性能直接影响着通信质量和系统的效率。阵列天线是一种常见的天线类型，它具有指向性强、增益高等优点，广泛应用于通信、雷达、卫星等领域。本文将以《基于矩形波导缝隙馈电的阵列天线设计》为题，详细介绍阵列天线的基本原理、设计方法和实现过程。 一、阵列天线的基本原理 阵列天线是由多个天线单元组成的天线系统，每个天线单元之间具有一定的间距，天线单元的相对位置和相位关系决定了阵列天线的指向性和增益。阵列天线的基本原理是利用多个天线单元的干涉作用，将天线辐射的信号进行合成，从而实现指向性较强的辐射模式。阵列天线的增益与天线单元数目成正比，因此阵列天线具有较高的增益和指向性。 二、阵列天线的设计方法 1.天线单元的设计 阵列天线的性能取决于天线单元的设计，因此天线单元的设计是阵列天线设计的关键。常见的天线单元有贴片天线、微带天线、饰带天线等。在设计天线单元时，需要考虑天线的工作频率、增益、带宽和阻抗匹配等因素。 2.阵列结构的设计 阵列天线的结构设计包括天线单元的相对位置和相位关系的确
定。天线单元之间的间距和相对位置会影响阵列天线的指向性和增益。相位关系的确定可以通过调整天线单元的馈电相位实现，通常采用相邻天线单元相位差为1/2波长的方式。 3.阵列天线的辐射特性分析 在确定阵列天线的结构后，需要进行辐射特性分析。常用的分析方法有全波长模拟和射线追踪法。全波长模拟可以得到天线的辐射模式和增益等参数，但计算复杂度较高。射线追踪法则可以快速计算天线的辐射模式和增益等参数，但对于较复杂的阵列结构可能会存在误差。 三、矩形波导缝隙馈电的阵列天线设计 本文以矩形波导缝隙馈电的阵列天线为例，介绍阵列天线的设计过程。矩形波导缝隙馈电的阵列天线是一种常见的阵列天线类型，具有结构简单、制作容易等优点。 1.天线单元的设计 本文采用贴片天线作为天线单元，贴片天线的工作频率为 2.4GHz，增益为 3.5dBi，带宽为100MHz，阻抗为50Ω。天线单元的尺寸为20mm×20mm。 2.阵列结构的设计 本文设计了一个8×8的矩形波导缝隙馈电的阵列天线，天线单元之间的间距为0.5λ，相邻天线单元的相位差为1/2λ。阵列天线的总尺寸为160mm×160mm。 3.阵列天线的辐射特性分析
基于缝隙耦合的微带天线设计 摘要：能够同时适用于射频识别、全球微波无线互联网和无线局域网这几大主 流物联网通信技术标准的宽频天线的设计要求越来越高，比如体积小、成本低等，而微带天线体积小、剖面低且可集成化程度高，适合大批量生产，但其频带较窄，使用范围受到限制。为此，提出了一种紧凑型宽频带微带贴片天线。该天线引入 了L型缝隙和三角形缝隙，仿真结果表明，天线－10dB阻抗带宽可达到100%， 其工作频带为1．5GHz～4．3GHz;轴比带宽为3．4GHz～3．8GHz，圆极化带宽为11%;在该范围内的增益都在3dB以上;整个工作频带范围内都实现了宽频带、高增益等特性，适用于射频识别、蓝牙、WLAN等频段。 关键词：宽频带;微带贴片天线;增益;圆极化 引言 近年来，随着无线电技术的迅猛发展，对天线的要求越来越高，既需要天线 高增益、宽频带，还要求具备剖面低、重量轻、易制作等特点。当前无芯片射频 标签正逐渐兴起。频率编码容量大的无芯片标签工作的频率范围很宽，对标签阅 读器的天线提出了更宽频带的要求。微带天线因为其固有的窄带宽的特点，导致 其应用大大地受到限制。为了拓展微带天线的带宽，1984年，Pozar首次提出了 缝隙耦合馈电微带天线，该天线隔离了馈电网络与辐射贴片，降低了馈电网络杂 散波对辐射贴片的影响，克服了传统馈电方式带来的电感效应。用缝隙耦合馈电 的方式来拓展带宽，工程师们做了大量的卓有成效的工作。 1结构分析 1.1天线结构设计 按照结构特征分类可以把微带天线分为微带贴片天线和微带缝隙天线。从以 往的研究来看，不同的贴片形状也会影响天线的阻抗带宽。常用的贴片形状为矩形、正方形、圆形、三角形或者其他，通常会在这些图形的基础上做一些更加复 杂的变化，以此改变天线的工作带宽、波束宽度、增益、轴比特性、圆极化等， 来满足实际应用的需求。本次设计的宽频带天线最终整体结构如图1所示。该天 线对贴片的缝隙大小以及位置进行设计修改，整体包含三个部分，分别为顶层辐 射金属贴片层、中间介质基板、底层接地板金属贴片层。天线所用介质基板的材 料为FＲ4环氧树脂，其相对介电常数为4．4，介电损耗为0．02。其中，介质 基板的长为50mm，宽为45mm，厚度为1mm;顶层矩形贴片的尺寸为 25．8mm×27mm，与贴片相连的馈线长度为16mm;为了展宽天线的工作带宽，在馈线与辐射贴片的连接处增加了一个尺寸为2．1mm×5mm的小矩形贴片;接地板 的尺寸为16mm×45mm。图2中列出了该天线结构中顶层矩形贴片的设计过程， 图中描述了天线引入缝隙的位置、大小以及形状的变化。 1.2天线单元的设计 在HFSS软件中建立微带天线的模型如图1所示。天线由两层介质板、微带贴片、微带馈 线及开在接地板上的耦合缝隙组成。天线的辐射贴片和馈线分别位于其上蚀刻有H形耦合缝 隙的接地板两侧，这种结构有3大优点：一方面，接地板可以屏蔽来自馈线的寄生辐射，避 免其对天线上半部分的辐射方向图产生干扰；其次，增大了馈电网络的布线空间；最后，我 们可以分别对辐射贴片和馈电网络进行优化。这种结构特点对于高性能的微带天线阵列的设 计尤为有利，特别是大型低副瓣微带天线阵。微带缝隙天线的基本模型，是在微带线的金属
Ku频段双极化缝隙耦合微带天线设计 李琳;万继响 【摘要】综合运用缝隙耦合馈电技术、双线馈线技术和引入空气层等方式展宽了天线的频带,设计并仿真出一种工作在Ku频段“H”形缝隙耦合馈电的双极化微带天线.天线采用多层结构,减小了天线尺寸,天线单元的“H”形状耦合槽垂直放置,提高了两馈电端口的隔离度,两端口同时馈电并电控调整馈电强度,从而合成线极化指向可变的辐射场.用三维电磁场仿真软件HFSS对天线阵的电特性进行了仿真和优化,结果表明:天线单元工作在12.25～12.75 GHz频率范围内,中心频点处增益为8.27 dB,回波损耗小于-10 dB时,相对阻抗带宽为10.1％,两个极化端口隔离度在40dB以上. 【期刊名称】《电子设计工程》 【年(卷),期】2016(024)007 【总页数】4页(P182-185) 【关键词】微带天线;H形缝隙耦合;双极化;高隔离度 【作者】李琳;万继响 【作者单位】中国空间技术研究院西安分院陕西西安710000;中国空间技术研究院西安分院陕西西安710000 【正文语种】中文 【中图分类】TN822+.8
微带天线具有体积小、重量轻、易共形、易于加工以及易与有源器件及电路集成等优点，已经在通信、导航、引信等方面获得了广泛应用。但是其固有的频带窄，功率容量低，限制了在诸多方面的应用［1］。 近年来许多国内外学者针对如何扩展微带天线的带宽问题做了大量研究，也提出了许多行之有效的方法。缝隙耦合微带天线是Pozar在1984年首先提出的，与传 统的同轴馈电或侧馈相比，缝隙耦合的主要优点是其馈电网络和无源辐射单元分别安置在两层介质板上，可以分别进行优化设计，并且辐射部分与馈线部分隔开，馈线的寄生辐射弱，便于大规模组阵；同时又有足够的带宽的隔离度，更容易形成双极化天线［2］。Yazjdj等人基于传输线模型分析验证了多种不同的缝隙形状对耦合强度的影响，并指出与相同尺寸的矩形缝隙相比，H形的缝隙可以得到比较大 的耦合量，容易实现微带天线的宽频谐振，具有良好的交叉极化性能。本文基于口径耦合的相关理论，设计分析了一种工作在Ku频段的H形缝隙耦合双极化微带 天线，并获得了宽频带、高增益、高隔离度的天线单元，便于与微波电路集成或组成天线阵，进而研究该单元辐射任意线极化指向的电磁波的特性，满足在卫星通信、测控等领域的应用要求。 在HFSS软件中建立微带天线的模型如图1所示。天线由两层介质板、微带贴片、微带馈线及开在接地板上的耦合缝隙组成。天线的辐射贴片和馈线分别位于其上蚀刻有H形耦合缝隙的接地板两侧，这种结构有3大优点：一方面，接地板可以屏 蔽来自馈线的寄生辐射，避免其对天线上半部分的辐射方向图产生干扰；其次，增大了馈电网络的布线空间；最后，我们可以分别对辐射贴片和馈电网络进行优化。这种结构特点对于高性能的微带天线阵列的设计尤为有利，特别是大型低副瓣微带天线阵。 微带缝隙天线的基本模型，是在微带线的金属地平面上蚀刻单个缝隙或缝隙阵列作为辐射单元，缝隙与微带馈线垂直相交。电磁波通过微带馈线传播到缝隙处耦合激
同轴馈电矩形微带天线设计与分析 摘要：本文使用HFSS软件，设计了一种具有损耗低、稳定性好的同轴馈电矩形微带天线。该新型C波段微带天线射频频率2、45GHz，输入阻抗50Ω，利用矩形同轴线馈电(RCL)结构网络和微带天线子矩阵的基本原理和设计方法，运用HFSS对该天线进行仿真、优化，最终得到最佳性能，达到了频段围S11小于XXX，尺寸XXX，方向性XXX，达到XXX的设计要求。 关键词：HFSS，微带线，天线 请在摘要中写明该天线的性能，点明创新性或所做的工作重点。 1、前言 在1953年Deschaps提出微带天线的理论，经过20年多的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期制造了实际的微带天线。传统的手工计算设计天线采用的是尝试法，设计和研发周期长，费用高。随着计算水平的提高，可以采用成熟的电磁仿真软件设计。 微带天线结构简单,体积小,能与载体共形，能和有源器件、电路等集成为统一的整体，具有体积小、重量轻、低剖面、易于集成和制造等点，在卫星通信、卫星定位系统等多个领域获得了广泛应用。已被大量应用于100MHz～100GHz宽频域上的无线电设备中, 特别是在飞行器和地面便携式设备中得到了广泛应用。 微带天线的特征是: 比通常的微波天线有更多的物理参数, 可以有任意的几何形状和尺寸；能够提供50Ω输入阻抗,不需要匹配电路或变换器；比较容易精确制造, 可重复性较好；可通过耦合馈电, 天线和RF电路不需要物理连接；较易将发射和接收信号频段分开；辐射方向图具有各向同性。设计的圆极化微带天线具有较宽的频带或者是双频堆叠结构且采用同轴线馈电，一般天线厚度尺寸较大，因此馈电同轴长加大，导电感抗加大，天线的性能随之恶化。通常，单层厚天线采用L形或T形同轴探针馈电；对于双层厚天线，通过在层间增加空气层以改善天线的驻波特性J。这两种结构给天线的制造带来了困难，前者需要在介质层增加金属片来实现T形或L形探针馈电，制作不便，增加了制造代价；后者需要在两层天线中间添加空气层，由于空气层厚度对天线性能影响突出，厚度不易控制，因此也不是好的选择，而同轴馈电矩形微带电线成为了性能良好的天线选择之一。 本文设计的同轴馈电矩形微带天线工作于ISM频段，其中心频率为2.45GHz；无线局
毫米波段涡旋电磁波天线阵与馈电网络设计 姜泽锋;邓联文;董健;郭才彪 【摘要】A four-element vortex electromagnetic antenna array and feeding network were designed in millimeter wave band. The antennas array composed of linear polarization microstrip antennas are fed with feeding network containing microstrip power splitter and microstrip phase shifter. The structure which is simple and easy to implement requires only one feed port to produce a mode 1 vortex electromagnetic wave. And the phase error is small because the feeding network is symmetrical in the center. The mi-crostrip antenna is fed with the coaxial cable through the ground plane in order to reduce the impact of the feeder network on the radia-ting element. The simulation results show that a vortex electromagnetic wave with a center frequency of 33. 22 GHz and a bandwidth of 1. 86 GHz is generated and its maximum gain is 8. 6dB.%进行了毫米波段四单元涡旋电磁波天线阵与馈电网络的设计.天线阵由线极化微带天线单元组成,通过微带功分器与微带移相器组成的馈电网络对其馈电,只需要一个馈电端口便可产生轨道角动量模式为1的涡旋电磁波,结构简单易于实现,且馈电网络呈中心对称分布,相位误差小.为了减少馈电网络对辐射单元的影响,通过同轴线穿过接地板对微带天线进行馈电.仿真结果表明,天线阵能产生中心频率在33.22 GHz、带宽为1.86 GHz的涡旋电磁波,最高增益达8.6 dB. 【期刊名称】《电子元件与材料》 【年(卷),期】2018(037)006
完成时间 2015331 金联辔更 HEFEI UNIVERSITY 毕业设计（论文） 开题报告 题 目 基于HFSS 的L 型探针馈电的微带天线仿真设计 系 另H 电子信息与电气工程系 年级专业（班级） 11 通信工程（1）班 _________________ 姓 名 _____________________ 蔡子豪 ______________________
指导老师___________________ 郑娟_______________________ 完成时间2015331
合肥学院电子信息与电气工程系 毕业设计（论文）开题报告 学生：蔡子豪班级：11通信工程（1）班
基于HFSS 的L 型探针馈电的微带天线仿真设计 一、研究背景 微带天线的概念由20世纪50 年代提出，并未有足够的重视，直到80 年代才真正将微带天线的实体制造出来。在此之后，国内也有相关著作出版，对微带天线的研究也日益加深。经过30 年的不断发展，微带天线应用于许多领域，例如：卫星通信、雷达、遥感、导弹遥控等方面。 馈电方式是影响微带天线的一个重要因素。其中主要的馈电方式有探针馈电、微带线馈电和孔缝耦合馈电。探针馈电在微带天线中使用的比较多的一种方式。对于介质层比较厚的微带天线采用探针馈电，由于探针比较长，导致天线输入阻抗的电感性加强，影响天线的带宽。采用L型探针馈电通常介质层是空气层或为与空气介电常数差不多的泡沫，因此具有重量轻、方便、易于制作、成本低等优点。 二、主要内容 本设计要求应用高频仿真软件（HFSS）仿真设计L型探针馈电的微带天线。 1. 要求： （1）学习天线基本知识，理解天线的常用指标。 （2）学习使用HFSS高频仿真软件设计L型探针馈电微带天线。 （3）天线指标:覆盖通信卫星下行传输信号频段 3.2G-4.4G。 2. 重点需要研究的问题： （1）天线的基本原理。 （2）高频仿真软件的学习使用。 3. 主要内容：。 （1）求解天线在周围空间建立的电磁场,求得电磁场后,进而得出其方向图,增益和输入阻抗等性能指标。 （2）设计好符合性能指标要求微带天线。 （3）用仿真软件HFSS对系统进行了模拟仿真。 （4）由仿真结果设计实物。 三、设计方案 1. 微带天线的原理微带天线，是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上而形成的天线。通常利用微带传输线或同轴探针来馈电，使导体贴片与接地板之
第一章论文设计研究背景 1.1微带天线的发展 1.1.1天线 天线是作无线电波的发射或接收用的一种金属装置(如杆、线或线的排列)。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。 天线的分类： ①按工作性质可分为发射天线和接收天线。 ②按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。 ③按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线，微波天线等。 ④按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。描述天线的特性参量有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频率。 天线按维数来分可以分成两种类型： 一维天线和二维天线 一维天线由许多电线组成，这些电线或者像手机上用到的直线，或者是一些灵巧的形状，就像出现电缆之前在电视机上使用的老兔子耳朵。单极和双级天线是两种最基本的一维天线。 二维天线变化多样，有片状（一块正方形金属）、阵列状（组织好的二维模式的一束片），还有喇叭状，碟状。 1.1.2微带天线 微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。在50年代和60年代只有一些零星的
研究，真正的发展和使用是在70年代。常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；若贴片是一细长带条则称其为微带阵子天线。图1所示为一基本矩形微带天线元。 长为L，宽为W2的矩形微带天线元可看作一般低阻传输线连接两个辐射缝组成。L为半个微带波长即为λg/2时，在低阻传输线两端形成两个缝隙a-a和b-b，构成一二元缝阵，向外辐射。 另一类微带天线是微带缝隙天线。它是把上述接地板刻出窗口即缝隙，而在介质基片的另一面印刷出微带线对缝隙馈电。 按结构特征把微带天线分为两大类，即微带贴片天线和微带缝隙天线；按形状分类，可分为矩形、圆形、环形微带天线等。按工作原理分类，无论那一种天线都可分成谐振型(驻波型)和非揩振型(行波型)微带天线。前一类天线有特定的谐振尺寸，一般只能工作在谐振频率附近；而后一类天线无谐振尺寸的限制，它的末端要加匹配负载以保证传输行波。 微带天线一般应用在1～50GHz频率范围，特殊的天线也可用于几十兆赫。和常用微波天线相比，有如下优点： (1)体积小，重量轻，低剖面，能与载体(如飞行器)共形； (2)电性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整；易于得到各种极化； (3)易集成。能和有源器件、电路集成为统一的组件。 贴片形状是多种多样的，实际应用中由于某些特殊的性能要求和安装条件的限制，必须用到其他形状的微带贴片天线。例如，国外某型炮弹引信天线要求半球覆盖的方向图，即E面和H面方向图在端射方向()的电平也要求在半功率电平以上，而规则的矩形或圆形贴片无法满足。因此，为使微带天线适用于各种特殊用途，对各种几何形状的微带贴片天线进行分析就具有相当的重要性。 微带天线进行工程设计时，要对天线的性能参数(例如方向图、方向性系数、效率、输入阻抗、极化和频带等)预先估算，这将大大提高天线研制
题目：串并联混合馈电 阵列天线
摘要 本设计主要是研究阵列天线的各种馈电方法，并对他们进行比较、重点研究串联并联混合馈电方法。在本设计中，通过比较串联、并联和串并联馈电方法后，使用串并联混合的馈电技术制作了中心频率为3GHz的简单、低成本和高增益微带阵列天线。天线的优化设计参数的选择实现紧凑的尺寸以及可能的最好的高辐射效率、高增益等特点。在进行串并联混合馈电阵列天线设计之前，着重分析设计该天线所需要的知识，包括T 型二等分功分器和微波电路的不连续性问题。这些知识对阵列天线的设计显得颇为重要，它们能显著改善天线的匹配效果，并将在所设计的天线中得到应用。经过一番比较和论证之后，设计了两种基于串并联混合馈电技术的阵列天线。所设计的天线阵列为6x1和4x2。最佳馈电系统参数是由一系列天线仿真决定。仿真是通过使用HFSS天线仿真软件完成，它是商业的、精确的天线模拟器。本设计基于简单和低成本需要，使用介电常数εr= 4.4和高度h =1.6mm的FR4介质基板，设计天线的S11达到了-30dB。这些天线仿真的增益是约9dB和10dB，旁瓣的增益保持低于主瓣。由于这这些天线的谐振频率在3GHz，这些天线是适合在S波段的应用，如卫星通信、雷达、医疗应用和其他无线系统。 关键词：微带天线；阵列天线；串联馈电阵列；并联馈电阵列；串并联馈电阵列
Abstract This design is mainly to study a variety of feeding method of array antenna, and compare them, focusing on hybrid parallel series feed method.In this design, by comparing the series, parallel and series-parallel feed method, we use a series-parallel hybrid feed technology to producetwo simple, low-cost and high gain microstrip array antenna which center frequency is 3G.Theoptimumdesign parameters of the antenna are selected to achieve the compact dimensions as well as the best possible characteristics such as high radiation efficiency, high gain, etc.Before the series and parallel mixed feed antenna array designing, we will focus toanalyze the knowledge needed in the design of the antenna, including T-bisection splitters and microwave circuit discontinuities.Theseknowledgelooks fairly important to the design of the array antenna, they can significantly improve the matching of the antenna , and has been applied in the design of antennas.After some comparison and verification, I design two array antennaswhich used the series-parallel hybrid feed technology.The designed antennas are 6x1and 4x2 arrays.Theoptimum feeding system is decided based on the various antenna parameters that are simulated.The simulation has been performed by using HFSS soft simulator which is a Commercialand precise antenna simulator.The design This design in order to achieve simplicity and low cost, using FR4 dielectric substrate which the dielectric constant er = 4.4 and height h = 1.6mm.the S11 of design antenna reaches -30dB.The gain of these simulated antennas is found about 9dB and 10dB，the side lobe label is maintained lower than main lobe.Since, the resonance frequency of these antennas is around 3GHz , these antennas are suitable for S band applications such as satellite communication, radar, medical applications, and other wireless systems. Keywords:microstrip antenna; array antenna; series feed array; parallel feed array; series-parallel-fed array.