一种宽频带低交叉极化伞形印刷振子阵列天线的设计
陈盼曹祥玉张健徐晓飞
（空军工程大学电讯工程学院，西安710077）
摘要：设计了一种伞形宽带印刷振子阵列天线。振子单元采用平衡馈电balun结构馈电，使用3D电磁仿真软件(Ansoft HFSS)对天线性能进行了仿真计算。为改善天线性能，设计了中心馈电双层振子辐射天线单元，并组成8元线阵。通过优化设计，双层振子单元相对阻抗带宽(2
VSWR≤)为38.8%。交叉极化电平也得到改善，小于-45dB，前后比优于16.4dB。阵列天线带宽达到39.4%，H面交叉极化电平小于-48dB，增益达到16.2dB。天线具有良好的电性能和辐射性能，设计思路和方法亦具有很好的可扩展性。
关键词：伞形印刷振子，阵列天线, 宽频带，低交叉极化
Designing in A Sort of Wide-Band and Low Cross-Polarization Printed
Dipole Array Antenna
Chen Pan Cao Xiang yu Zhang Jian
(The telecommun ication engineering Institute, AFEU, Shann’xi, Xi’an, 710077)
Abstract:In this paper, a novel wide-band and high-gain printed antenna is presented. Balanced micro-strip line balun is utilized as feed line, printed dipole is adopted as radiation element .The characteristics of the antenna are calculated by Ansoft HFSS simulation software. In order to improve the parameter, a double dipole antenna is presented, which constitute an 8-elements line array. The result show that the relative impedance bandwidth is about 38.8%(2
VSWR≤) for the double deck dipole antenna .Across the entire antenna bandwidth the front-to-back ratio was better than 16.4dB and the cross-polarization level is better than -45dB.The bandwidth of array antenna is up to39.4%，while the cross-polarization of H-plane is less than -48dB. The simulation results also show that the gain of the array is 16.2dB. It represents a well electricity and radiation capability. The method of designing has a good expansibility.
Keywords: array antenna; umbrella like printed dipole; wide-band; low cross-polarization
0 引言
当前，随着通信技术的发展，在移动通信基站、车载台等通信领域中，要求天线实现信号的全方向覆盖，要采用全向天线。而为了达到一定的覆盖范围，要求天线同时要具有较高的增益。文献[1]设计了一种低交叉极化印刷振子天线阵列，工作频带宽，双面设计使交叉极化电平得到降低。 文献[2]化设计，重量轻，体积小，宽带性能较好，驻波1.2以下相对带宽为15%。本文设计了一种采用平衡微带馈电结构的宽频带高增益低交叉极化双面伞形印刷振子天线单元，具有宽带、价格低廉和易于调谐的特点。并由此分析设计了8元线阵，阵列具有宽频带工作特性。
基金项目：国家自然科学基金(60671001)资助
·1·
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1 理论分析
宽带印刷振子的基本结构包括辐射臂和馈电电路，这两个部分改进变形后的适当组合就组成了各种不同类型的振子类型。宽带印刷振子的辐射臂有单极子（如直振子、设计了一种阵列天线单元振子，实现了一体伞形振子、栅格状振子等）和双极子（偶极子）两种类型，馈电电路主要有集成balun 、平行双线、渐变线等类型。随着工程的需要和研究的深入，将会出现更多类型的宽带印刷振子结构。
1.1 印刷偶极子辐射臂
印刷偶极子辐射臂，可利用等效半径的概念，等效为半径为e D ，长度为2e l 的对称振子。中心馈电带状振子的等效半径为[7]：
)(25.0t w D e += （1）
式中，w 为带状振子的宽度；t 为带线厚度。振子辐射臂长度2l ，考虑到带状振子两个端头效应，振子的长度应当修正。修正量为振子宽度w 的四分之一。即：
4
22w
l l e +
= （2） 式中，2l 为振子实际上的几何长度。
求出辐射臂的等效半径和等效长度后，利用反应积分方程的矩量法解可以求出振子的电流分布，从而求得振子的输入阻抗和辐射方向图。本文在上述理论分析的基础上，采用伞形辐射臂，改善了天线阻抗匹配，同时扩展了工作带宽。
1.2 平衡馈电bulun 结构[4-6]
利用简单的传输线理论，对平衡馈电结构进行分析。同轴结构及其等效电路如图1（a ）、1（b ）所示。
Z a
Z b
ab
θZ d
（a ）同轴馈电balun
（b ）同轴馈电balun 等效电路
图1
在平衡馈电balun 等效电路中，有限直径的振子输入阻抗可简单描述为一个复数d Z ，它是一个随工作频率变化的量。则balun 的输入阻抗in Z 可以表示为
a
a a
a a
in tg jZ Z tg jZ Z Z Z θθ'
'++= （3） 其中
ab
ab d ab
ab d b b tg jZ Z tg Z jZ ctg jZ Z θθθ++
-=' （4）
式中a Z 、a θ、b Z 、b θ、ab Z 和ab θ分别为图1-a 中各段传输线的特性阻抗和电长度。通过调节上述参数，可以使其阻抗在很宽的频带内匹配。
这种平衡馈电balun 是双线对称式平衡器的改进型，它完成了从不对称馈线（同轴线）到对称天线（对称振子）的平衡—不平衡变换。文中在上述分析的基础上对馈电结构做了优化设计，使阻抗匹配良好。
2 设计及理论分析
2.1 振子单元结构
天线单元结构共分四层，分别为铝板偶极天线、铜板、介质板和导带，其厚度分别为t1、t2、t3、t4，如图2所示。
图2 天线结构侧视图
使用基于有限元法的3D 电磁仿真软件（Ansoft
HFSS ）对单元模型进行优化设计，天线结构如图3
·3·
所示。设计中，采用介电常数为2.65的玻璃纤维强化聚四氟乙烯作为底板,底板厚度为1mm ，微带线馈电耦合导带结构尺寸如图4所示。导带厚度为0.1mm ，宽w 2=3mm ，w 3=1.2mm ，w 4=3mm 。介质板的另一面光刻上铜，用以装配振子时，使其与振子接触良好。振子材料为铝，厚度为1mm ，总长为93mm ，宽为71.5mm 。在铝板偶极子及铜板中心上段开耦合缝，缝隙宽为3.4mm ，长为53.5mm 。
图3 天线单元俯视图
图4 耦合导带结构图
由于带宽受多种因素的影响，是一个多元函数，应采用优化设计，但考虑到单元变量较多，且一些实际情况无法考虑在内，本身的数学模型又比较粗糙，设计中先固定一部分量，求得较佳值后逐步调整固定量，使驻波比趋于优化。得到如图5输入驻波比曲线。
图5 天线单元输入端口驻波比曲线
分析可得，天线单元在1.12GHz —1.8GHz 的频段内≤2VSWR ，相对阻抗带宽为46.6%。在1.16GHz —1.24GHz 及1.62GHz —1.74GHz 频段内≤1.5VSWR 。图6显示了频率在1.4GHz 处天线E 面和H 面的主极化与交叉极化方向图。在整个频带内E 面交叉极化电平优于-20dB ，H 面则优于-25dB ，前后比优于16.4dB 。
图6 1.4GHz 天线交叉极化方向图
为优化天线性能，在图3模型基础上，设计双层振子模型进行优化计算。即在导带另一侧附加一层振子，使中心导带为上下两层振子馈电，形成带状线balun ，从而减小天线横向交叉极化的电场分量。模型如图7所示。
图7 双层振子单元俯视图、侧视图
经过仿真计算及优化，得到如图8输入回波损耗曲线及图9交叉极化方向图。
图8 双层振子输入端口驻波比曲线
·4·
图9 1.4GHz 双层单元交叉极化方向图
由上图可知，该单元具有双谐特性，即在带宽内有两个谐振点。单层单元两个谐振点相距较远，每个谐振点附近的驻波曲线较尖锐，谐振点之间的频率点上驻波较大。对于双层单元，两个谐振点相距较近，且向低频偏移，两个谐振区部分重合，带宽内驻波相对较低。在1.1GHz —1.63GHz 的频段范围内≤2VSWR ，相对阻抗带宽为38.8%，下降了约8%。在1.12GHz —1.19GHz 及1.3—1.48GHz 的频段范围内≤1.5VSWR 。双层单元天线交叉极化与单层单元相比有较大改善，在整个频带内交叉极化电平低于-45dB,E 面变化尤为显著，降低了-25dB 以上，H 面降低-20dB 以上。
2.2 阵列设计及结果分析
利用上述双层平面Balun 伞形偶极子天线单元组成8元偶极子线阵。图10所示为该阵列天线结构示意图。接地板采用金属铝板，以便与铝板偶极子接触良好。其尺寸为900mm 300mm 1mm ??，各单元平行放置，且均垂直于金属板，相邻偶极子单元间距为00.5s λ=，0λ为中心频率下自由空间波长。由仿真结果得到阵列各个端口的输入驻波比曲线，如图11所示。由图可知，在约1.1GHz —1.64GHz 的频段范围内≤2VSWR ，相对阻抗带宽达到39.4%。图12给出了在中心频率点1.4GHz 处H 面主极化和交叉极化方向图，由图可知天线交叉极化电平低于-32dB 。天线仿真增益为17.4dB ，如图13所示。
图10 阵列天线结构示意图
图11 阵列天线输入端口驻波比曲线
图12 1.4GHz 阵列交叉极化方向图
图13 1.4GHz 天线单元方向图
3 结论
本文采用理论分析和Ansoft HFSS 建模仿真的方法在对平面balun 对称振子天线结构改进的基础上设计了一种伞形双层印刷振子阵列天线单元。首先等效分析了振子辐射臂和馈电balun 的有关特性，并在此基础上建立了仿真模型进行优化，该单元具有单层天线的宽频带特性，同时大大降低了天线交叉极化电平。以此单元组成8元线阵，仿真结果表明，天线阵列工作带宽达到39.4%，交叉极化电平低于-32dB 。
参考文献
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[8] E.O. Hammerstad. Equation for Microstrip Circuit Design[C], Proceedings 5th European Conference, Step.1975, pp. 268-272.
作者简介：
陈盼，男，河北保定人，硕士研究生。主要研究方向为宽频带天线与天线阵列设计。
曹祥玉，女，陕西西安人，教授，博士生导师。主要研究领域为计算电磁学、天线与电磁兼容、新型电磁材料特性等。
张健，男，山东烟台人，硕士研究生。主要研究领域为智能天线波达方向估计。
徐晓飞，男，辽宁沈阳人，博士研究生。主要研究领域为电磁场高效数值计算。
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X波段宽频带高增益微带天线阵设计
陈盼曹祥玉徐晓飞张健
(空军工程大学电讯工程学院，西安710077)
摘要：设计了一种用于X波段的宽频带微带天线单元并组成4元阵列。该单元由双层微带贴片构成，利用微带口径耦合进行馈电展宽频带。使用三维电磁场仿真软件（Ansoft HFSS）对微带天线进行了仿真优化，仿真结果表明，单元具有明显宽带特性，相对阻抗带宽（2
VSWR≤）为46.8%。天线阵列相对阻抗带宽（2
VSWR≤）达到41.9%，增益达到14.1dB。天线性能良好，设计方法具有很好的可扩展性。
关键词：微带天线，宽频带，阵列，高增益
Design on X-band Wideband and High-gain Microstrip Antenna
Chen Pan Cao Xiang Y u Zhang Jian
(The telecommunication engineering Institute, AFEU, Shann’xi, Xi’an, 710077)
Abstract: A wide-band and high-gain microstrip antenna is proposed in this paper. A double-layered microstrip patch and a perture-coupled feeding are used to enhance the bandwidth of microstrip antenna element at X-band. By using a software for 3D electromagnetic field analysis(Ansoft HFSS), the X-band microstrip antenna is simulated and optimization of the parameters of design is obtained. A 4-element array antenna, which is composed of the antenna element , is simulated. The simulated results show that the relative impedance bandwidth is about 46.8%(≤2
VSWR) for the antenna element and 41.9%(≤2
VSWR) for the antenna array, and the gain is about 14.1dB. The method of designing has a good expansibility.
Key words: microstrip antenna, wide-band, array antenna, high-gain
1 引言
随着现代无线通信技术的飞速发展，天线和天线技术的发展也是日新月异，天线形式更是层出不穷。但一直以来，微带天线以其剖面薄、重量轻、体积小、 成本低和易于加工等优点而越来越得到研究者的青睐[1]。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应用。因此，研究微带天线的宽频带特性一直是天线工作者们十分关心的问题。经过许多专家学者、工程师的不懈努力，现在已有多种途径可用来展宽微带天线的频带。通过采用双果表明，这是一种简单且行
基金项目：国家自然科学基金(60671001)资助之有效的拓展带宽的方法。但其缺点也显而易见，由于采用了双层贴片，天线剖面厚度增加，体积增大，不利于工程应用。本文在优化设计天线结构增大带宽的同时，适当选取和优化天线基底介电常数与厚度，为工程应用提供了更大空间。
2 微带天线分析方法
天线分析的基本问题是求解天线在空间建立的电磁场，求得电磁场后，进而得出其方向图、增益和输入阻抗等特性指标。
层贴片，实现双谐振增加带宽[2-4]，研究结分析微带天线的基本理论可分为三类：
1 传输线模型理论
·6·
·7·
2 空腔模型理论
3 积分方程法，即全波理论
近年来出现的格林函数法和矩量法也是对天线理论的发展补充，各有所长。分析微带天线最早最简单又适合一般工程应用的理论模型是传输线模型。该模型将微带辐射器单元看作一个场没有横向变化的传输线谐振器，场只沿长度成驻波变化，通常长度是半个波长，辐射主要是由开路端的边缘场产生。微带贴片天线分析示意图如图1-a 、b 所示。
图1
天线贴片宽度a 的大小影响着微带天线的方向性函数、辐射电阻和输入电阻，从而影响频带宽度和辐射效率。
贴片宽度a 由下式决定，
1/2
122r r c a f ε-+??=????
（1）
当贴片宽度a 大于上式时，微带贴片天线将可能产生高次模，引起场的畸变。考虑到边缘缩放效应后，实际上贴片谐振长度b 由下式决定，
22b l l =
-?=?（2） 其中，延伸量
(0.3)(0.264)
0.412(0.258)(0.8)
e e a
h l h
a
h
εε++?=-+（3） 有效介电常数
1/2
11
12(1)22r r e h a
εεε-+-=
+
+
（4）
c 为光速，r f 为贴片天线的谐振频率，当在空
气介质中时，有效介电常数为1。
用传输线模型计算微带天线的辐射场为
012cos cos(sin cos )
2
(,)(,)
k b
E A
F F θ?θ?θ?θ?= （5） 012cos sin cos(sin cos )
2
(,)(,)
k b
E A
F F ?θ?θ?θ?θ?=（6） 其中，
010sin(
sin sin )2(,)sin sin 2k a
F k a
θ?θ?θ?=
（7） 020sin(sin cos )
2(,)sin cos 2
k h
F k h
θ?θ?θ?=
（8） '0'
2jk r Va A j
e
r λ-=，'
r 是微带贴片中心到场点的距离。由于h λ，故2(,)1F θφ≈。
3 微带天线单元结构
天线单元结构如图2（a ）、2（b ）所示，天线采
用正方形辐射贴片，由三层介质板组成，两贴片分别蚀刻于上层介质板下侧和下层介质板上侧，接地板和微带馈线分别位于底层介质板上下两侧。上下两层介质板由空气层隔开，空气层厚度约为00.1h λ=[5]。其中下层贴片馈电，上层贴片为无源耦合贴片。上下辐射贴片分别决定了微带天线低高端谐振频率，利用两贴片耦合的方式，并在一定范围内调整，使每个贴片的谐振频率各不相同，而各谐振带宽又相互交叉，使整个天线的总体带宽展宽。同时引入空气层以降低微带天线Q 值，也可达到增加带宽的目的。接地板上蚀刻斜“十”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，缝隙长度和宽度在满足工作带宽条件下不宜过长过大。通过调节天线谐振长度控制天线谐振频率，通过调节天线空气层厚度调节上下贴片的耦合量大小，通过调节馈线宽度和调谐枝节长度实现天线阻抗匹配，减小频率漂移，实现天线宽频带设计。
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图2
4 单元数值仿真结果分析
天线模型参数：正方形耦合贴片边长a=8.2mm，馈电贴片边长b=7.2mm，上两层介质为介电常数
122.4
εε
==的聚四氟乙烯板，厚度分别为0.5mm
和1.5mm，馈电介质板采用
33.48
ε=厚度为0.5mm 的Rogers R04350（tm）板。馈线宽度 1.1
w=mm，
调谐枝节长度为
21.75
l=mm，耦合口径以贴片中心
旋转0
45，宽度
140.1
w w
==mm，长度分别为
16
l=mm和
47.5
l=mm。
天线单元输入回波损耗曲线如图3所示。在8.47GHz—13.65GHz的频段范围内≤2
VSWR，相对阻抗带宽达到46.8%。在8.65GHz—13.53GHz的频段范围内≤1.5
VSWR，相对阻抗带宽达到44.0%。在中心频率点11GHz处天线方向图如图4所示，增益为8.3dB。
图3 天线单元输入回波损耗曲线
图4 11GHz天线单元方向图
5 阵列结构与结果分析
以此单元为基础，对其馈电结构微调后组成22
?元微带阵列天线，如图5所示。阵列天线采用等幅同相并联馈电，馈电网络由多级T型等分威尔金森功分器组成，功分器采用多节/4
λ阻抗匹配枝
节设计，使调试简单方便。阵元间距为
0.8
sλ
≈（
λ为中心频率对应波长，中心频率11GHz）。对阵列天线进行仿真分析，其端口反射系数如图6所示，在9.73GHz-14.89GHz频带内满足≤2
VSWR，相对阻抗带宽达到41.9%，阵列方向图如图7所示，增益达到14.1dB。
图5 4元阵列天线结构
图6 阵列天线输入回波损耗曲线
图7 11GHz阵列天线方向图
6 结论
本文通过理论分析仿真设计了一种X波段口径
耦合微带多贴片天线单元和4元阵列。单元天线的
VSWR）达到46.8%，阵列天线
相对阻抗带宽（≤2
相对阻抗带宽达到41.9%，增益达到14.1dB。分析
表明天线及阵列具有良好的电性能和辐射性能。
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参考文献
[1] 钟顺时，微带天线理论和应用[M]，西安：西安电子科技大学出版社，1991
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作者简介：
陈盼，男，河北保定人，硕士研究生。主要研究方向为宽频带天线与天线阵列设计。
曹祥玉，女，陕西西安人，教授，博士生导师。主要研究领域为计算电磁学、天线与电磁兼容、新型电磁材料特性等。
徐晓飞，男，辽宁铁岭人，博士研究生。主要研究领域为电磁场高效数值计算。
张健，男，山东烟台人，硕士研究生。主要研究领域为智能天线波达方向估计。
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一、天线各指标对网络的影响 （一）互调 互调信号是两个或多个信号通过天线发射时，由于材料的非线性原因将产生三阶或更高阶的调制信号，并可能落在上行频带内，对上行信号造成干扰。互调指标是天线的内部工艺水平和所用材质的集中表现，该指标会在天线长期使用过程中由于材料表面氧化、脱焊等原因逐渐恶化。 （二）驻波比 驻波比（SWR）全称为电压驻波比（VSWR）。在无线电通信中，天线与馈线的阻抗不匹配或天线与发信机的阻抗不匹配，高频能量就会在天线产生反射波，反射波和入射波在天馈系统汇合产生驻波。电压驻波比过大，将缩短通信距离，反射功率将返回发射机功放部分，容易烧坏功放管，影响通信系统正常工作。 （三）增益 相同的条件下，增益越高，信号覆盖的距离约远。理论上天线增益下降1dB,覆盖距离将缩小12.2%；增益过低会造成覆盖不足，增益过高会造成越区覆盖。 （四）前后比指标 前后比指标不达标的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱、同邻频干扰，产生掉话，并增加了频率规划的难度和准确度。
（五）上旁瓣抑制 上旁瓣抑制不达标，会导致高层信号混乱，同邻频干扰的几率大大增加；另外目前城区高楼较多，会对天线上旁瓣信号造成反射，增加了越区覆盖、异常覆盖情况出现的几率。（六）交叉极化比指标 交叉极化比指标反映的是正交振子的不相关性，该参数的好坏直接影响天线极化分集的效果，对改善上行信号质量有非常重要的作用。 二、天馈故障分析 广西现阶段测试的主要工具为驻波比测试仪和互调测试仪，能够对驻波比、互调值和隔离度进行测试。 三阶互调指标是业界公认的无源器件综合性指标，它直接影响了产品的性能，是生产厂家在产品设计、生产、用料、工艺方面的集中体现。同时，除天线外，还有三类因素会影响系统互调指标：一是射频器件原因，如滤波器、耦合器等器件自身互调指标不合格；二是馈线原因，如馈线进水、弯折；三是工程质量原因，如接头制作及连接不牢，接头内有金属屑等。 天线的驻波比表示天馈线与基站（收发信机）匹配程度的指标，不匹配时，发射机发射的电波将有一部分反射回来，在馈线中产生反射波，反射波到达发射机，最终产生为热量消耗掉。接收时，也会因为不匹配，造成接收信号不好，因
波导缝隙天线的EBG 的应用 张运启 栗 曦 杨 林 （西安电子科技大学天线与电磁散射研究所，西安，710071） 摘 要：研究一种新型的EBG 结构在波导缝隙天线中的应用。这种新型的EBG 具有可以有效抑制表面波的特性，提出了在阵面缝隙单元间加载EBG 周期单元结构的方案，抑制波导缝隙天线之间的互耦。通过与传统的波导缝隙天线进行比较得出加载新型EBG 结构的波导缝隙天线在互耦上有很大改善。 关键词:波导缝隙阵列天线；Electromagnetic band-gap(EBG)；互耦 The Waveguide Slot Array Antenna Above EBG Structure Zhang Yun-qi ， Li Xi ，Yang Lin (National Laboratory of Antenna and Microwave Technology,Xidian university,Xi’an shaanxi,710071 ，China) Abstract :The performance of the waveguide slot array antenna above the electromagnetic band-gap(EBG) structure is investigated.The kind of EBG is able to control the surface wave.The project of control the 21S between the waveguide solt antenna by loading the periodic unit of EBG between the units has been lodged.It is found that the 21S improved in the waveguide slot array antenna through comparison. Key words : waveguide solt array antenna; EBG; couple 引 言 波导缝隙天线具有口面场分布容易控制，没有能量漏失、天线口径效率高、性能稳定、结构简单紧凑、强度高、安装方便、抗风力强等优点，而且容易实现窄波束、赋形波束、低副瓣乃至超低副瓣，所以波导缝隙天线已经成为新型雷达中天线的优选形式，被广泛应用于雷达和通讯领域。但这种形式的天线由于有比较大的金属地平面，存在强烈的TM 表面波和空间波耦合，以及地面边缘的多径干扰，这些因素都将影响天线阵列的性能。 电磁带隙结构（EBG ）在电磁传输场和天线领域的应用研究越加广泛和深入，本文着重关注的Mushroom-like EBG 结构，具有有效的表面波抑制带隙和紧致的特征，这在通讯天线和阵列天线的应用中是非常重要的。 本文以此为切入点，将EBG 结构与金属波导缝隙阵列相结合，旨在利用EBG 结构对表面波的抑制特性，改善原天线的性能。 1 电磁带隙结构（EBG）单元 本文根据一种电磁带隙的快速分析方[2] 法进行建模仿真，电磁带隙（EBG ）结构单元如图 1 图1 电磁带隙结构单元 仿真计算上述二端口波导的传输系数21S 的幅度，如图2所示。可以看出在00F F ?+:有带隙。由于该波导由一对理想电壁和理想磁壁组成，是一个TEM 波导，因此不存在截止频率。 图2 电磁带隙结构单元的21S 2 传统的波导缝隙阵列天线 我们建立波导缝隙阵列天线进行仿真，分析
目录 摘要 (2) Abstract (3) 1 绪论 (4) 研究背景及意义 (4) 国内外发展概况 (5) 本文的主要工作 (6) 2 微带天线的基本理论和分析方法 (8) 微带天线的辐射机理 (8) 微带天线的分析方法 (9) 传输线模型理论 (10) 全波分析理论 (13) 微带天线的馈电方式 (14) 微带线馈电 (14) 同轴线馈电 (15) 口径（缝隙）耦合馈电 (15) 本章小结 (16) 3宽带双频双极化微带天线单元的设计 (17) 天线单元的结构 (17) 天线单元的设计 (19) 介质基片的选择 (19) 天线单元各参数的确定 (19) 天线单元的仿真结果 (21) 本章小结 (22) 4 结束语 (23) 参考文献 (24) 致谢 (26)
ku波段双频微带天线的设计 摘要 本文的主要工作是Ku波段宽带双频双极化微带天线研究。在微带天线的基本理论和分析方法的基础上，对微带天线的技术进行了深入的研究，设计了3种不同结构的Ku波段宽带双频微带天线单元，并完成了实验验证。依据传输线模型理论并结合软件仿真分析了3种不同结构的天线单元在天线的带宽、隔离度和增益等性能方面的差异，并作了比较，得出了性能最佳的一种天线单元结构形式。最后，对全文的研究工作加以总结，并提出本文进一步的研究设想。 关键词：Ku波段；双频；传输线模型；微带天线
Abstract In this paper, broadband dual-frequency and dual-polarized microstrip antenna at Ku band is described. Three kind s o f wideband dual-frequency and dual-polarized microstrip antenna element are proposed and their experimental verifications are completed which based o n the classical theory and a deeper stud y on broadband, dual-frequency and dual-polarization technique of microstrip antenna. From the transmission-line mode theory and simulative results, he bandwidth, isolation and gain characteristics of a microstrip patch element with various structures are analyzed in detail and compared, and an antenna element with the best performance is adopted. Based on the element described, four-element linear array and planar array is designed which adopted anti-phase feeding and dislocation anti-phase feeding technique, respectively. In addition, the technique of anti-phase feeding which suppress cross-polarized is further studied by using the even/odd theoretical analysis. Finally, we summarize the research of the paper with an outlook for the further researches. Key words: Ku band; dual-frequency; dual-polarized; microstrip antenna
波导缝隙天线的设计和仿真 波导馈电的缝隙阵天线自第二次世界大战以后有很大发展。它广泛用于各种领域： 1、地面、舰载、机载雷达 2、导航雷达 3、气象雷达 4、雷达信标天线LL ……………………………… 特别最近十几年，随着对雷达抗干扰要求的提高、脉冲多普勒可视雷达的发展，要求天线应具有低副瓣或极低副瓣的性能，使波导缝隙天线成为此项要求的优选形式。同时随着各种计算机辅助技术的发展，如数控机床的使用，天线的整体焊接技术等，为波导缝隙天线的使用创造了基础。 波导缝隙构成的阵列主要有两种形式，即波导宽边开缝和波导窄边开缝，我们本次主要向大家介绍的是波导宽边开缝而构成的波导缝隙天线阵的设计与仿真。 波导宽边纵缝阵列天线不但具有口面效率高、副瓣电平低等优良的电气性能，而且还有厚度小、重量轻、结构紧凑、强度高、安装方便、抗风力强、功率容量大等特点，从而在机载火控雷达、导弹巡航等方面有着其它天线无法替代的优势。下面是几个波导宽边缝隙构成的阵列在实际中的应用实例。
主要讨论的内容： 1.波导缝隙天线的设计基础理论 2.波导缝隙行波线阵天线的设计和仿真 3.波导缝隙驻波线、面阵天线的设计和仿真 4.波导缝隙天线的Ansoft HFSS的实例设计和仿真（一）波导缝隙阵天线设计的基础理论 本章中您主要的目标是： 1.熟悉波导缝隙天线的基本概念。 2.了解波导缝隙的基本等效电路。 3.理解波导缝隙天线的基本电参数和缝隙阵列的构成。 4.知道波导缝隙天线的基本设计过程。
把一根波导放在自由空间，在波导输入端输入信号，波导终端接匹配负载。如果在波导宽边或窄边上切割一个窄的缝隙，此缝隙切断波导壁上的传导电流，在缝隙上将产生电场，且对波导内壁电流产生扰动，并从波导内耦合部分电磁能量向自由空间辐射。随着缝隙切割在波导壁的位置不同，形成不同的缝隙形式。
实验八波导缝隙阵天线的设计与仿真 一、实验目的 1.设计一个波导缝隙阵天线 2.查看并分析波导缝隙阵天线的 二、实验设备 装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台 三、实验原理 波导缝隙阵具有口面效率高、副瓣电平低等优良的性能。这里考虑宽边纵向谐振式驻波阵列，每个缝隙相距0.5λg ，距离波导宽边中心有一定偏移。Stevenson 给出宽边上纵向并联缝隙的电导为 ()a x g g π21sin = ()()g g b a g λλπλλ2cos 09.221= 其中，x 为待求的偏移，a 为波导内壁宽边长度，λg 为波导波长。在具体的设计中，可以利用HFSS 的优化功能来确定缝隙的谐振长度。首先确定在谐振缝隙设计中存在的几个变量，主要有缝隙偏移波导中心线的距离Offset ，缝隙的长度L ，缝隙的宽度W 等。一般可根据实际的加工确定出缝隙的宽度W ，应用HFSS 的优化功能得出缝隙的偏移量Offset 和缝隙长度Length 。如图1所示，在波端口的Y 矩阵参数可以等效于距检测端口的1/2个波导波长的缝隙中心的Y 矩阵参数，根据波导缝隙的基本设计理论，在谐振时缝隙的等效阻抗或导纳为实数。因此，当缝隙谐振时有Im(Y)=0。 单缝谐振长度优化示意图如下： 设计一个由20个缝隙组成的缝隙阵，采用Chebyshev 电流分布，前10个缝的电平分布如下： n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 a n 0.33 0.29 0.39 0.5 0.62 0.73 0.83 0.91 0.97 1.0 根据电平分布进行归一化：∑==101212n n a K 短 路 波端口g λ41g λ2 1L
全向天线技术 陈燕林, 阮成礼 电子科技大学物理电子学院，四川成都（610054） E-mail ：july1025@https://www.doczj.com/doc/f414619233.html, 摘要：本论文主要分析了各种形式的全向天线，从单元天线到阵列天线都有涉及，并分析了各种形式天线的优缺点，根据多数全向天线低增益的特点，提出全向天线需提高增益的要求，并在文章结尾处简单罗列几种提高增益的方法。 关键词：全向,增益，单元天线，阵列天线 1．引言 天线是人们见闻世界的耳目，是人类与太空的联系，是文明社会的组成要素[1] 。随着移动通信事业在我国的迅猛发展，移动电话越来越多的为人们的工作和生活提供方便和快捷。而用户之间通信必须先由天线发射到基站，再由基站传递给所需的用户。因此，移动通信必须有基站天线的配合方可完成，也见证了基站天线的重要性。基站天线按天线辐射的方向图来分类一般可以分为全向天线和定向天线。定向天线一般用于移动用户密度较高的区域，例如市区、机场、商业中心等。而在移动用户密度较低的区域，例如市郊、农村等地区，由于用户分布比较稀疏，话务量不是很高，所设基站数目一般都比较少，密度比较底，这时就需要用到全向天线。而电波在空中传播时由于受到多方面衰落，为了保证通信质量，而又不增加基站数量，就要求天线的增益相对比较高，因此近年来开发高增益全向天线，来改善通信质量是通信系统中一个迫切的研究课题。本文对全向天线的形式进行了分析，并在结尾处简单罗列了几种提高增益方法。 全向天线发展至今，目前从结构形式上产生了多样化的成果，从最初的单极子，偶极子，双锥，螺旋天线到对数周期天线，微带，智能天线等，对一些自身很难达到全向辐射的单元天线，可将其组成阵列，就能形成全向辐射的方向图，本文中涉及到的有串馈直线式微带阵列天线，还有一些并馈微带阵列天线，渐变缝隙天线等。 2． 天线的方向性和增益 2．1 天线的方向性 天线在空间各点的辐射强度是不相同的，把天线置于球坐标中，在各点的辐射强度可用角坐标（θ，φ）的函数来表示，可写为方程（1）， (,)E Af θ?= （1） 其中，A 为比例常数，f(θ，φ)称为天线的方向图函数[2] 。 为了使用方便，一般取方向性函数的最大值为1，得到归一化方向性函数，记为 (,)(,)/fmax F f θ?θ?= （2）
实验八 波导缝隙阵天线的设计与仿真 一、实验目的 1.设计一个波导缝隙阵天线 2.查看并分析波导缝隙阵天线的 二、实验设备 装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台 三、实验原理 波导缝隙阵具有口面效率高、副瓣电平低等优良的性能。这里考虑宽边纵向谐振式驻波阵列，每个缝隙相距0.5λg ，距离波导宽边中心有一定偏移。Stevenson 给出宽边上纵向并联缝隙的电导为 ()a x g g π21sin = ()()g g b a g λλπλλ2cos 09.221= 其中，x 为待求的偏移，a 为波导内壁宽边长度，λg 为波导波长。在具体的设计中，可以利用HFSS 的优化功能来确定缝隙的谐振长度。首先确定在谐振缝隙设计中存在的几个变量，主要有缝隙偏移波导中心线的距离Offset ，缝隙的长度L ，缝隙的宽度W 等。一般可根据实际的加工确定出缝隙的宽度W ，应用HFSS 的优化功能得出缝隙的偏移量Offset 和缝隙长度Length 。如图1所示，在波端口的Y 矩阵参数可以等效于距检测端口的1/2个波导波长的缝隙中心的Y 矩阵参数，根据波导缝隙的基本设计理论，在谐振时缝隙的等效阻抗或导纳为实数。因此，当缝隙谐振时有Im(Y)=0。 单缝谐振长度优化示意图如下： 设计一个由20个缝隙组成的缝隙阵，采用Chebyshev 电流分布，前10个缝的电平分布如下： n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 a n 0.33 0.29 0.39 0.5 0.62 0.73 0.83 0.91 0.97 1.0 根据电平分布进行归一化：∑==10 1 212n n a K 短路 波端口 g λ4 1g λ2 1L
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/f414619233.html, 波导缝隙天线的设计仿真 作者：蒋德富刘健 来源：《现代电子技术》2013年第20期 摘要：电磁仿真软件HFSS以其高精度，高可靠性在电磁仿真设计中得到了广泛的应用。但对于复杂天线的模型，其没有很好的方法简化建模操作，需要花费大量的设计时间。将HFSS提供的VBScript脚本语言功能作为接口，利用Matlab调用控制HFSS，从而协同HFSS 建立模型，达到快速建模的目的。提出了一套波导缝隙阵天线的设计方法，设计一个波导缝隙阵天线，运用Matlab协同HFSS建立天线模型，并进行仿真分析。结果验证了天线设计方法的准确性，以及运用Matlab调用HFSS建模的可行性。 关键词： HFSS； Matlab；波导缝隙天线；协同仿真 中图分类号： TN823.24?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013） 20?0014?03 波导缝隙阵列天线口径幅度易于控制，具有辐射效率高，方向性强，结构紧凑等特点，而且容易实现低副瓣乃至极低副瓣，因此在雷达和通信领域有着广泛的应用。高频仿真软件HFSS在电磁仿真领域有着广泛的应用，有着高仿真精度、高稳定性的特点。使用HFSS的3D 建模功能，可以很容易解决简单的模型创建问题，但是对于复杂天线结构模型的建立，没有特别有效的方法，使得建模过程十分繁琐耗时，而且容易出错。利用HFSS提供的VBScript脚本功能，可以对软件进行二次开发，以VBScript作为接口，利用Matlab调用HFSS协同建模仿真，可以简化模型建立的操作，节约设计时间。本文提出了一套波导缝隙天线的快速建模方法，设计了一个波导宽边裂缝阵列天线。并以此波导缝隙天线为例，应用Matlab协同HFSS建立模型仿真，对仿真结果进行了分析。 1 基本理论 波导缝隙天线是在波导宽壁或窄壁上开缝的天线，波导中传输的电磁波可以通过缝隙向外界进行辐射。通常有宽边偏置缝、宽边倾斜缝、窄边倾斜缝隙这几种开缝形式。根据波导终端的形式不同，波导缝隙阵天线可以分为行波阵和驻波阵。行波阵的波导终端接吸收负载，单元间距稍大或稍小于[λg2]，驻波阵在距离终端[λg4]处接短路滑块，单元间距均为[λg2]，本文设计的就是一个波导驻波阵天线。 1.1 波导缝隙天线理论分析 波导上的辐射缝隙向外界辐射能量，引起波导负载的变化，应用传输线理论分析波导的工作状态比较方便，将相应的缝隙等效成与传输线串联的阻抗或并联的导纳，再建立对应的等效电路模型，进而可以求出各个缝隙的等效阻抗或导纳。 Stevenson等效电路法，就是根据传输
对于圆极化或线极化通信制式的地面站天线来说，国际卫星（INTELSAT)组织有一些强制性技术要求。 例如，其中要求线极化地面站天线交叉极化隔离度XPD >=30dB； 而对于圆极化地面站天线： 1. 当地面站天线口径D>=4.5m时，要求天线交叉极化隔离度XPD不低于30.7dB（相当于天线轴比AR不大于1.06或0.5dB）； 2.当地面站天线口径 2.5m<= D <=4.5m时，要求天线交叉极化隔离度XPD 不低于27.3dB（相当于天线轴比AR不大于1.09或0.75dB）； 3.当地面站天线口径 D <=2.5m时，要求天线交叉极化隔离度XPD不低于17.7dB（相当于天线轴比AR不大于1.3或2.28dB）。 上面讲到了天线交叉极化隔离度XPD，天线轴比AR，以及轴比AR的两种表达形式。对于线极化地面站天线，由于天线是发射或接受线极化电磁波，没有轴比问题，所以只提交叉极化隔离度； 而圆极化地面站天线是发射或接受圆极化电磁波，所以既要用交叉极化隔离度，还可以用天线轴比。实际上轴比和交叉极化隔离度是相关的，知道了轴比就可以求出交叉极化隔离度，当然知道了交叉极化隔离度也可以求出轴比。如以下公式： (1) 其中R表示以dB为单位的轴比。 天线轴比一般用的最多有两种表示（还有用角度表示，但用的很少），一种是以dB 为单位的R表示，或者一种是无单位的b表示。前者一般在试验室测试很方便，所以研制生产人员用的较多。二者换算关系如下： (2) 轴比还可以用角度表示： R=20lg{ ( 1+sin Δ )/（ 1-sin Δ） } （3） b= ( 1+sin Δ )/（ 1-sin Δ） (4) 其中Δ = 0～90°(要用弧度表示) 由（1），（2）,)式可以算出常用的几种数据： 轴比 b 1.06 1.09 1.3 轴比 R(dB） 0.506124 0.7485 2.2788
波导缝隙天线的设计仿真方案详细教程 1. 引言波导缝隙阵列天线口径幅度易于控制，具有辐射效率高，方向性强，结构紧凑等特点，而且容易实现低副瓣乃至极低副瓣，因此在雷达和通信领域有着广泛的应用。高频仿真软件HFSS在电磁仿真领域有着广泛的应用，有着高仿真精度、高稳定性的特点。使用HFSS 的3D建模功能，可以很容易解决简单的模型创建问题，但是对于复杂天线结构模型的建立，没有特别有效的方法，使得建模过程十分繁琐耗时，而且容易出错。利用HFSS 提供的VBScript脚本功能，可以对软件进行二次开发，以VBScript作为接口，利用Matlab调用HFSS协同建模仿真，可以简化模型建立的操作，节约设计时间。本文提出了一套波导缝隙天线的快速建模方法，设计了一个波导宽边裂缝阵列天线。并以此波导缝隙天线为例，应用Matlab协同HFSS建立模型仿真，对仿真结果进行了分析。 2.基本理论波导缝隙天线是在波导宽壁或窄壁上开缝的天线，波导中传输的电磁波可以通过缝隙向外界进行辐射。 通常有宽边偏置缝、宽边倾斜缝、窄边倾斜缝隙这几种开缝形式。根据波导终端的形式不同，波导缝隙阵天线可以分为行波阵和驻波阵。行波阵的波导终端接吸收负载，单元间距稍大或稍小于g /2 ，驻波阵在距离终端g /4 处接短路滑块，单元间距均为g /2 ，本文设计的就是一个波导驻波阵天线。 2.1 波导缝隙天线理论分析 波导上的辐射缝隙向外界辐射能量，引起波导负载的变化，应用传输线理论分析波导的工作状态比较方便，将相应的缝隙等效成与传输线串联的阻抗或并联的导纳，再建立对应的等效电路模型，进而可以求出各个缝隙的等效阻抗或导纳。Stevenson 等效电路法，就是根据传输线理论和波导模的格林函数导出矩形波导缝隙的计算公式。图1所示为波导宽边纵向偏置缝隙及其等效电路。 归一化等效谐振电导为：
一种高隔离度双极化微带天线的设计 苏振华尹应增任学施张杰乔青 （西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，西安 710071） 摘要：本文介绍了一种工作在Ku波段的高隔离度双极化微带天线，该天线采用邻近耦合和H槽缝隙耦合相结合的馈电方法实现了天线的双极化，双层反射地板的结构降低了天线方向图的后瓣。借助Ansoft 公司的HFSS仿真软件对该天线进行了仿真和优化，得到了较好的结构和指标参数。与常规的双极化微带天线结构相比，该天线具有高端口隔离度和低后瓣的特性。 关键词：双极化；微带天线；隔离度 Design of a Dual-polarization Microstrip Antenna Su Zhenhua Yin Yingzeng Ren Xueshi Zhang Jie Qiao Qing (Institute of Antennas and Electromagnetic Scattering，Xidian University, Xi'an 710071，China) Abstract: A high isolation dual-polarization microstrip antenna working at Ku-band is presented. This antenna is fed by methods of direct coupling and H-slot coupling to realize dual-polarization. Due to the double reflectors structure ,the antenna has a lower back-lobe. On basis of Ansoft HFSS software, this antenna is analyzed and optimized. Some good results are presented. Compared to conventional dual-polarization microstrip antenna, this antenna has better isolation and lower back-lobe characteristics. Keywords: dual-polarization ; microstrip antenna ; isolation 1 引言 微带天线由于具有体积小，重量轻，低剖面，易于加工以及与有源器件及电路集成等诸多有点，在通信，雷达等方面得到广泛的应用。另外，频谱资源日益紧张现代卫星通信领域迫切需要天线具有双极化功能，因为双极化可使它的通信容量增加一倍。 双极化技术的应用通常要求低交叉极化电平和高隔离度。单层的双端口馈电隔离度一般只能达到-25dB左右[1]，多层馈电虽然结构稍微复杂，但是可以得到很高的隔离度。 本文首先对三层介质板单层反射板的微带双极化天线进行了分析，其结果表明方向图的后瓣比较大。然后采用了四层介质板，在最下层的介质板下方加了一块反射地板，得出比较理想的结果，其端口隔离度低于-40dB，后瓣降低了4.85dB。2 微带双极化天线的研究 2.1 天线的结构 三层介质板微带天线结构如图1所示，其中（a）是立体的侧视图，（b）是俯视图。天线由三层介质板组成，辐射贴片蚀刻在最上层即第一层介质板的顶部。邻近耦合馈电微带线在第二层介质板的上面，第二层介质板和第三层介质板之间放置反射地板，H 槽开在这反射地板上面，第三层介质板的下侧为通过H槽耦合馈电的微带线。三层介质板都采用介电常数为2.2的Rogers RT/duroid 5880(tm)材料，第一，二层厚度为0.381mm,第三层厚度为0.254mm，馈电采用50欧姆微带开路线。 不同层馈电可以明显的增加隔离度，可以对H 槽的尺寸进行调节，改善输入端口的阻抗特性。 ·102·
波导缝隙阵带宽总结 一，改善波导缝隙天线带宽的方法： 波导裂缝阵列天线具有较高的功率容量、较低的交叉极化、较低的馈电损耗以及较高的效率等优点而被广泛应用于雷达和通信领域。波导缝隙天线虽然有很多优点，但是其也有固有的缺点，即工作频带很窄，相对带宽一般在1%-4%之间。但是随着需求的发展，目前一些应用对波导缝隙天线的带宽也提出了要求，例如高分辨率合成孔径雷达，同时在这些应用中对交叉极化抑制的要求也很高，因此对宽带和低交叉极化的波导缝隙阵的研究是具有非常现实的意义的。 波导缝隙天线阵包括两种，行波阵和谐振阵。前者波导辐射缝隙间距偏离半个波导波长，一端激励一端接匹配负载，电磁波在波导内成行波状态，通常应用与大型天线阵中。后者单元间距为半个波导波长，一端激励一端在离最后一个辐射缝隙四分之一波导波长处短路，波导内电磁波呈驻波状态，这种阵一般应用于小型阵列。前者频带宽些，但在大型阵中由于波导传输损耗及终端负载的吸收，效率较低。后者一般效率高些，但是带宽窄些。总之，工作频带都较窄。 早期人们采用串-并联缝隙，倾斜偏置缝或分别匹配每个缝隙的方法来展宽带宽，但是采用串-并联缝隙或倾斜偏置缝将带来另一计划分量增加的问题，而匹配每个缝隙对于天线阵设计来说是比较困难的事情。目前，常用的改善波导缝隙天线带宽的方法有三种：１将天线分成若干个子阵；２采用中间馈电的馈电方式；3用脊波导代替矩形波导。 二，具体实例 （1） 对于波导窄边开斜缝天线阵，由于缝隙倾斜引起较高的交叉极化电平。窄边非倾斜缝辐射单元形式。由于辐射电磁波的电场分量垂直于辐射细缝，而此种
辐射缝隙完全垂直于波导的轴线，排除了单元在垂直于波导纵向的电场分量，因此辐射电磁波只包含波导轴向分量，从而得到优越的交叉极化特性。所以用非倾斜缝隙作为辐射单元组成的天线将得到非常高的交叉极化抑制性能。本文提出一种非倾斜缝的新型激励方式，将一对切角矩形金属膜片置于缝隙两边，膜片紧贴于波导的宽边和上部窄边上，这种结构有利于天线阵的制作和增加可靠性。设计加工了一个x波段的16元侧射均匀直线阵，为了有效展宽工作带宽，将天线阵划分成4个谐振子阵，并由一个波导功分器馈电。测试结果验证了设计的可行性。 图1 波导窄边非倾斜缝结构 波导窄边的电流只有y分量，当在窄边沿y向开非倾斜细缝时，其切割的电流几乎忽略不计，在缝隙内不能激励起电磁场，因此对空间不能产生辐射。为了改变这一状况，此处采用一对切角矩形金属膜片置于缝隙两边(如图l所示)，改变缝隙附近波导内的场分布，从而使波导窄壁上电流具有z分量，这样非倾斜缝就可以有效切割电流，在缝隙内激励起电磁场，进而向空间产生辐射。由于波导窄边尺寸较小，为了得到谐振长度，缝隙需要扩展到波导的宽边，切割到宽边的深度为h。为了改善因单元数较多限制天线阵工作带宽的因素，将天线阵分成4个子阵，并由一个波导功分器馈电。功分器如图2所示
基站天线技术指标
1）ODP-065/R15-DG
电气 性能 指标
工作频率(MHz) 阻抗(Ω)
最大增益(dBi) 功率容量(W) 驻波比 极化方向
垂直面波瓣宽度 水平面波瓣宽度 交调干扰(dBm) 交叉极化鉴别率(dB)
隔离度(dB) 前后比(dB)
电下倾角 接头类型
机械 性能 指标
机械调倾角 振子材料
反射体材料 天线罩材料 环境温度(℃)
摄冰 净重(kg) 防腐能力 支架重量（kg） 体积(mm) 抱杆直径(mm) 摄冰能力 抗风能力(km/h) 雷电保护
水平方向图 图
垂直方向图
870～960 50 15 500 1.3
±45°双极化 14° 65° ＜-110 ＞20 ＞30 ＞28
0°～16°可选择 7/16 阴头
0～16° 合金 合金铝 PVC
工作温度 –40℃～+60℃,极限温度 -55℃～+70℃ 100mm 10
防盐雾、防潮湿、防二氧化硫和紫外线辐射 2
1300×280×120 50～114
100mm 不被破坏 工作风速 110km/h，极限风速 200km/h
直接接地
2）ODP-065/V15-DG
电气 性能 指标
工作频率(MHz) 阻抗(Ω)
最大增益(dBi) 功率容量(W) 驻波比 极化方向
垂直面波瓣宽度 水平面波瓣宽度 交调干扰(dBm) 交叉极化鉴别率(dB)
隔离度(dB) 前后比(dB)
电下倾角 接头类型
机械 性能 指标
机械调倾角 振子材料
反射体材料 天线罩材料 环境温度(℃)
摄冰 净重(kg) 防腐能力 支架重量（kg） 体积(mm) 抱杆直径(mm) 摄冰能力 抗风能力(km/h) 雷电保护
水平方向图
吉林省移动通信公司 2004 年 GSM 网络扩容工程天线设备投标
870～960 50 15 500 1.3
垂直极化 14° 65° ＜-110 / / ＞28
0°～16°可选择 7/16 阴头
0～8° 合金 合金铝 PVC 工作温度 –40℃～+60℃,极限温度 -55℃～+70℃ 100mm
12 防盐雾、防潮湿、防二氧化硫和紫外线辐射
3 1900×280×120
50～114 100mm 不被破坏 工作风速 110km/h，极限风速 200km/h
直接接地
图 垂直方向图
一种X波段波导缝隙天线的设计与仿真 作者：李高升,卢中昊,刘锋,何建国 来源：《现代电子技术》2010年第21期 摘要:给出了波导缝隙天线设计步骤,设计一种X波段波导缝隙天线,计算了天线口径、波导数量、缝隙的单元数量、宽度、位置等参数,设计半高波导宽臂耦合谐振缝魔T和差器,在此基础上完成了天线设计。仿真结果表明,当中心频率为12 GHz时,和波束增益为28.9 dB,第一副瓣电平为-22.2 dB,所设计的天线形式可获得较好的和、差波束方向图、电压驻波比和增益等参数。 关键词:波导缝隙天线; 低副瓣; 辐射缝隙; 和差器 中图分类号:TN957.2-34文献标识码:A 文章编号:1004-373X(2010)21-0005-04 Design and Simulation of Waveguide Aperture Antenna Working in X-band LI Gao-sheng, LU Zhong-hao, LIU Feng, HE Jian-guo (College of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China) Abstract: The procedures for designing a waveguide aperture antenna are presented. A waveguide aperture antenna working in X-band is designed. The aperture of antenna, number of waveguide, and parameters of aperture including number, width and location are calculated. A wide-arm coupling resonant aperture magic T comparator with half-height waveguide is designed, based on which the design of the antenna is finished. Simulation results indicate that gain of the sum beam is 28.9 dB and the first side lobe is -22.2 dB at 12 GHz. The antenna can attain good parameters such as sum and subtract pattern, voltage stand wave ratio and gain. Keywords: waveguide aperture antenna; low side lobe; radiation slot; comparator 0 引言 随着信息化水平的提高和无线电技术的发展,对高效率、低副瓣天线的需求日渐强烈,特别是弹载、机载搜索和跟踪天线,由于早年常用的抛物面天线固有的口径遮挡,难以在这两方面有大幅度提高,不能满足日益增长的需求。 波导缝隙天线在设计方面具有较大的灵活性,可调整和优化的参数多,较易实现高效率、超低副瓣和高增益,还具有承受功率高,结构紧凑等优点,得到了广泛的研究和应用[1-2]。
一种提高交叉极化隔离度的16元微带阵列天线 刘 藤1,2,罗 勇1,李莎莎2,李旭哲1 (1.电子科技大学,四川成都 610054; 2.中国东方红卫星股份有限公司,陕西西安 710061) 摘 要:在现代通信中,特别是卫星通信,有时需要比较高的交叉极化隔离度。对于传统的微带阵列天线来说,由于其馈电网络与阵元均处于同一侧,不仅会产生互耦,影响增益,并且交叉极化隔离度也不能满足广大用户的要求。在此提出一种新型的馈电结构,旨在提高其交叉极化隔离度。从仿真中可以看出,交叉极化隔离度能达到40dB 以上,为实现更大型微带阵列天线网络做出一定的理论实践和工程指导。 关键词:微带阵列天线;交叉极化隔离度;馈源网络;开槽线 中图分类号:T N 823 文献标识码:A 文章编号:1004-373X(2010)14-0114-03 16-element Microstrip Array Antenna for Enhancing Cross -polarization Isolation LIU T eng 1,2,L U O Yo ng 1,L I Sha -sha 2,L I Xu -zhe 1 (1.Universi t y o f Electronic Sci ence and T echnolo gy of China,Chengdu 610054,Chi na; 2.China Spacesat Co.L td.,Xi an 710061,China) Abstract :A hig h cr oss -po lar ization iso lation is so metimes needed in modern communications,especially in satellite com -munications.A new feeder structure is pr oposed to enhance the cro ss -polarization iso lat ion because the ar ray elements and the feed netw or k are at the same side in the tr aditio nal micr ostr ip ar ray antenna,and the structure can cause lo w cro ss -polarization iso lation and co -coupling w hich affects the g ain.It is fo und from t he simulat ion result calculated by H FSS of A nsoft that the cro ss -polarization isolatio n is hig her than 40dB.T his conclusion can pr ovide a g ood r efer ence to t he practical eng ineering. Keywor ds :microstr ip arr ay antenna;cr oss -po lar ization iso latio n;feed sour ce netw ork;slot line 收稿日期:2010-03-12 0 引 言 微带阵列天线具有体积小,重量轻,制作简单,安装方便,容易与有源器件集成,外观美观,受环境影响小等优点,因此越来越受到人们的欢迎。目前,微带阵列天 线已经成功地用于机载雷达,卫星通信,移动通信和卫星电视等系统中。 关于微带阵列天线的馈电问题,前人已做了大量的工作。一般都是辐射片与微带线馈源网络处于同一侧,如文献[1-2]所述。这种方式由于馈源网络本身会产生一定的辐射,所以总的辐射场就是各辐射单元的辐射场与馈源网络辐射场的叠加。由于馈源网络布线并不一定规则,这无疑会影响天线整体的交叉极化隔离度性能;同时,由于微带线与辐射贴片存在有互耦,这样还会进一步使天线交叉极化隔离度性能降低,影响主瓣增益[3] 。在某些特定的应用场合(如卫星通信),要求天线的交叉极化隔离度性能是比较高的(30dB 以上)[4],对于一般阵元数目比较少的天线阵,还能够满足要求,但是对于大型或者超大型阵列,以上的馈电方式就很难满 足要求了。关于抑制交叉极化隔离度的馈电方式,前人也做了大量的工作,如文献[5]所述,文章中提到将辐射 单元与馈源网络隔离的方式,能有效提高交叉极化隔离度;类似的做法再如文献[6]所述;而文献[7]提出一种用开槽线耦合馈电的方式将能量耦合给辐射单元,亦取得了良好地效果。本文在总结了前面优秀工作的基础上,提出一种全新的馈电结构:天线辐射单元与馈源网络分别处于接地板两侧,通过接地板的开槽线把馈源网络上的能量耦合到辐射单元上,通过H FSS 软件仿真,得到了比较好的结果,说明此种馈电方式确有比较好的提高交叉极化隔离度的作用,并为进一步组建大型或超大型阵列做出指导。1 辐射单元 辐射单元采用嵌入式微带边馈贴片[8](如图1所示),这样可以很容易地实现阻抗匹配。对于介质基片厚度为h = 1.5m m,天线工作的中心频率为f 0=12.5GH z,采用相对介电常数为 r = 2.2的Rogers RT/duroid 5880介质作为基片,辐射贴片宽度为: W p = c 2f 0 r +1 2 -1 2 (1) 114 科学计算与信息处理刘 藤等:一种提高交叉极化隔离度的16元微带阵列天线
基站天线技术指标 电气性能指标 工作频率(MHz) 870～960 阻抗(Ω) 50 最大增益(dBi) 15 功率容量(W) 500 驻波比 1.3 极化方向±45°双极化垂直面波瓣宽度14° 水平面波瓣宽度65° 交调干扰(dBm) ＜-110 交叉极化鉴别率(dB) ＞20 隔离度(dB) ＞30 前后比(dB) ＞28 电下倾角0°～16°可选择接头类型7/16阴头 机械性能指标 机械调倾角0～16° 振子材料合金 反射体材料合金铝 天线罩材料PVC 环境温度(℃) 工作温度–40℃～+60℃,极限温度 -55℃～+70℃摄冰100mm 净重(kg) 10 防腐能力防盐雾、防潮湿、防二氧化硫和紫外线辐射 支架重量（kg） 2 体积(mm) 1300×280×120 抱杆直径(mm) 50～114 摄冰能力100mm不被破坏 抗风能力(km/h) 工作风速110km/h，极限风速200km/h 雷电保护直接接地 图 水平方向图 垂直方向图
电气性能指标 工作频率(MHz) 870～960 阻抗(Ω) 50 最大增益(dBi) 15 功率容量(W) 500 驻波比 1.3 极化方向垂直极化垂直面波瓣宽度14° 水平面波瓣宽度65° 交调干扰(dBm) ＜-110 交叉极化鉴别率(dB) / 隔离度(dB) / 前后比(dB) ＞28 电下倾角0°～16°可选择接头类型7/16阴头 机械性能指标 机械调倾角0～8° 振子材料合金 反射体材料合金铝 天线罩材料PVC 环境温度(℃) 工作温度–40℃～+60℃,极限温度 -55℃～+70℃摄冰100mm 净重(kg) 12 防腐能力防盐雾、防潮湿、防二氧化硫和紫外线辐射 支架重量（kg） 3 体积(mm) 1900×280×120 抱杆直径(mm) 50～114 摄冰能力100mm不被破坏 抗风能力(km/h) 工作风速110km/h，极限风速200km/h 雷电保护直接接地 图 水平方向图 垂直方向图