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Ku波段宽角扫描圆极化微带阵列天线设计尹继亮【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2017(036)005【摘要】A novel three feeds circularly polarized microstrip antenna was proposed in this paper. The antenna feeding network was realized using a one-three power divider to enhance the rotational symmetry of circularly polarized radiation of the microstrip patch antenna. The proposed antenna element was arranged into a 3×4 array using sequentially rotated technique to effectively improve the array gain scanning performance. The array radiation and polarization performance during beam scanning was investigated as well. The simulation results indicate that the array beam can be steered in the elevation up to 60° at the center of the operating frequency. The gain of no less than 11.9 dBi and the axis ratio (AR) of no more than 2 dB are obtained within the scanning angles.%提出了一种三馈电圆极化微带天线.天线馈电网络采用一分三功分馈电,实现微带贴片天线的圆极化辐射,增加方向图的旋转对称性.用该天线作为阵列单元,采用顺序旋转布阵技术组成一个3×4阵列,有效地改善了阵列天线的增益扫描特性.研究了该阵列天线波束扫描时的辐射特性和极化特性.仿真结果表明:阵列天线在中心工作频率处能实现俯仰60°的扫描,在扫描范围内增益大于11.9 dBi,轴比小于2 dB.【总页数】4页(P81-84)【作者】尹继亮【作者单位】中国西南电子技术研究所,四川成都 610036【正文语种】中文【中图分类】TN82【相关文献】1.Ku波段高增益圆极化宽带微带阵列天线设计 [J], 汪江宇;唐涛;何胜;邓彪2.V 频段星载宽角扫描圆极化阵列天线设计 [J], 李佳美;官正涛3.一种宽角扫描圆极化微带阵列天线的设计 [J], 禹化龙;裴华伟4.C波段小型化宽带双圆极化微带阵列天线设计 [J], 徐永佳;杨存顺;孙雨婷;郭庆功5.Ku波段低副瓣高增益微带阵列天线设计 [J], 戴欣华;姚金杰;苏新彦;江润东;王瑞瑞;王晓东因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
一种 Ku波段宽带微带天线阵的设计张青;夏翔;徐远超【摘要】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 .%设计了一个中心频率为16G Hz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。
目录摘要 (2)Abstract (3)1 绪论 (4)1.1研究背景及意义 (4)1.2国内外发展概况 (5)1.3本文的主要工作 (6)2 微带天线的基本理论和分析方法 (7)2.1 微带天线的辐射机理 (7)2.2微带天线的分析方法 (8)2.2.1传输线模型理论 (9)2.2.2 全波分析理论 (11)2.3微带天线的馈电方式 (12)2.3.1微带线馈电 (12)2.3.2同轴线馈电 (12)2.3.3口径（缝隙）耦合馈电 (13)2.4本章小结 (13)3宽带双频双极化微带天线单元的设计 (14)3.1天线单元的结构 (14)3.2天线单元的设计 (15)3.2.1介质基片的选择 (16)3.2.2天线单元各参数的确定 (16)3.3天线单元的仿真结果 (17)3.4本章小结 (18)4 结束语 (19)参考文献 (20)致谢 (22)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AbstractIn 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 suppresscross-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 antenna1 绪论1.1研究背景及意义近年来，随着卫星通信技术的发展和卫星通信业务及卫星移动通信的迅猛增长，以往的微波较低频段(300MHz-10GHz)已经变得拥挤不堪，因此卫星通信中开始使用Ku波段甚至Ka波段的通信以满足大信息量的需求。
一种新型Ku频段宽带高增益双极化微带天线阵列陈振宁;梁仙灵;叶声;王文智;徐烨;耿军平;金荣洪【摘要】In this paper, a novel design of dual-polarized microstrip patch element and 96-element array with wide bandwidth and high gain is proposed for Ku band application. A stacked patch antenna （SPA）architecture is adopted in the element design in order to increase the bandwidth and gain. Dualqayered feeding technique is used to achieve the dual-polarization, where the horizontal polarization port is fed with a coplanar microstrip line, while the vertical polarization port is excited by a probe. The anti-phase feeding technique is considered in design of the feeding net- work, which leads to lower cross polarization. The simulated and experimental resuits show that the gain of the array with 96-element reaches 26 dBi with an aperture efficiency of 51%, the cross-polarization is lower than -30 dB. In addition, the relative impedance bandwidths of the horizontal and vertical polarization ports are 11.3% and 13.7% , respectively, and the isolation between the dual polarization ports is better than 40dB.%介绍了一种新型的Ku频段宽带高增益双极化微带贴片单元及96元阵列的设计。
一种Ku波段宽带微带天线的设计王鹏;李民权;付灿;金秀梅【摘要】A novel design approach of the wideband microstrip patch antenna at Ku-band is presented in this paper. The coupling feed is made by H-shaped apertures in the ground plane. Two narrow slots are etched on the radiating patch to expand bandwidth. The reflector in the bottom of the antenna is used to enhance the gain and improve the front-to-back ratio. The antenna is analyzed and optimized by the high frequency simulation software HFSS. The simulation results show that this structure of antenna can effectively improve the wideband resonance of the microstrip antenna. The antenna can a-chieve 39. 8 % impedance bandwidth with a return loss less than -10 dB and a cross polarization level less than -28 dB. The front-to-back ratio of the antenna radiation pattern is better than 19 dB.%文章给出一种新型结构的Ku波段宽频带微带天线的设计方法.在接地板上开H型缝隙进行耦合馈电,并在辐射贴片表面开矩形缝隙以扩展带宽,在天线的底面加反射板以提高增益、改善天线方向图的前后比性能.用高频仿真软件HFSS进行仿真优化,结果表明该结构天线具有良好的宽频谐振特性,其回波损耗小于-10 dB,阻抗相对带宽高达39.8％,交叉极化电平小于-28 dB,前后比优于19 dB.【期刊名称】《合肥工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(035)001【总页数】4页(P62-65)【关键词】Ku波段;宽频带;微带天线;耦合馈电【作者】王鹏;李民权;付灿;金秀梅【作者单位】安庆师范学院物理与电气工程学院,安徽安庆246011;安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室,安徽合肥230039;安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室,安徽合肥230039;安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室,安徽合肥230039;安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室,安徽合肥230039【正文语种】中文【中图分类】TN823微带天线的概念最早是由德尚教授（G.A.Deschamps）提出的，由于其体积小、质量轻、剖面低、且易于加工和电路集成等诸多优点，在雷达和通信领域得到了广泛的应用。
Ku频段双极化平板波导阵列天线的结构设计
牛传峰;耿欣蕊
【期刊名称】《无线电工程》
【年(卷),期】2013(043)009
【摘要】平板波导阵列天线具有体积小、剖面低、效率高和重量轻等优点.针对Ku频段双极化平板天线结构的要求,从平板波导阵列天线的组成、结构设计和加工制造工艺等几个方面,详细论述了该类型的平板波导阵列天线的结构设计方案和工艺加工制造的关键技术.实测结果表明,天线结构设计取得了成功,对同类天线的结构设计具有指导作用.
【总页数】3页(P38-40)
【作者】牛传峰;耿欣蕊
【作者单位】中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081;河北联合大学,河北唐山063009
【正文语种】中文
【中图分类】TN82
【相关文献】
1.Ku波段双极化宽带阵列天线 [J], 朱莹;姜兴
2.双频段（C／Ku）双极化赋形环焦网状TVRO天线的研制 [J], 邱家恒;马文革;马莉
3.一种新型Ku频段宽带高增益双极化微带天线阵列 [J], 陈振宁;梁仙灵;叶声;王文智;徐烨;耿军平;金荣洪
4.Ku频段双极化缝隙耦合微带天线设计 [J], 李琳;万继响
5.一种Ka/Ku双波段双极化共口径阵列天线 [J], 李昂
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Ku波段宽带双极化低副瓣微带阵列天线的设计Ku波段宽带双极化低副瓣微带阵列天线的设计摘要：本文介绍了一种新型的Ku波段宽带双极化低副瓣微带阵列天线的设计。
该天线采用了双极化微带阵列设计，通过向微带阵列中引入射频电阻来实现宽带化和双极化，同时采用了对称馈电技术和圆极化技术来降低天线的副瓣和交叉极化损耗。
通过仿真和实验验证，该天线具有优良的性能，满足Ku波段应用中宽带、双极化和低副瓣的要求。
关键词：Ku波段；宽带双极化；微带阵列；低副瓣；天线设计1. 引言Ku波段在卫星通信、雷达探测等领域得到了广泛的应用。
在这些应用中，宽带、双极化和低副瓣是天线设计中非常重要的要求。
因此，如何设计出一种满足这些要求的Ku波段天线，一直是天线研究的热点问题之一。
2. 天线设计本文所设计的天线采用了微带阵列技术。
微带阵列具有结构简单、成本低、易于制造和维护等优点。
为了实现双极化，我们在微带阵列中引入了射频电阻，将信号分成水平极化和垂直极化两个信号，从而实现了双极化。
同时，我们还采用了对称馈电技术来降低交叉极化损耗。
为了实现低副瓣，我们采用了圆极化技术。
圆极化技术是一种将线极化信号转化成圆极化信号的技术，使得天线在接收和发射时不会受到来自其他方向的干扰。
通过对天线模型进行仿真和优化，我们得到了一种具有优良性能的Ku波段宽带双极化低副瓣微带阵列天线。
3. 实验结果我们通过实验验证了该天线的性能。
实验结果表明，该天线具有良好的双极化和宽带特性，同时副瓣降低明显，性能稳定可靠。
因此，该天线可以在Ku波段应用中发挥重要的作用。
4. 结论本文介绍了一种新型的Ku波段宽带双极化低副瓣微带阵列天线的设计。
通过对该天线进行仿真和实验验证，我们证明了该天线具有优良的性能，能够满足Ku波段应用中对宽带、双极化和低副瓣的要求。
因此，该天线可以被广泛应用于卫星通信、雷达探测等领域5. 局限性和展望虽然本文所设计的Ku波段宽带双极化低副瓣微带阵列天线具有优良的性能，但是还存在一些局限性。
用于卫星通信的Ku波段宽带双频双极化微带天线阵
徐永杰;姜兴
【期刊名称】《电子技术应用》
【年(卷),期】2010(000)006
【摘要】利用口径耦合馈电、错位倒相馈网技术和单层微带贴片结构设计出一种用于卫星通信的Ku波段宽带双频双极化微带四元天线阵.用电磁仿真软件
CST2008对天线阵的电特性进行了仿真和优化.四元天线阵实测结果表明:水平极化端口在11.21 GHz- 13.47 GHz频率范围内VSWR <_ 1.5,相对阻抗带宽为18.3%;垂直极化端口在13.43 GHz- 14.88 GHz频率范围内VSWR≦1.5,相对阻抗带宽为10.24%.工作频带内两端口隔离度＜-35 dB,最大增益为13.2 dB,与仿真结果一致.【总页数】4页(P123-126)
【作者】徐永杰;姜兴
【作者单位】桂林电子科技大学,信息与通信学院,广西,桂林,541004;桂林电子科技大学,信息与通信学院,广西,桂林,541004
【正文语种】中文
【中图分类】TN965.2
【相关文献】
1.Ku波段宽带双频双极化微带天线阵的设计 [J], 徐永杰;姜兴
2.Ku 波段宽频带双极化微带天线阵的设计 [J], 王宇;姜兴;李思敏
3.一种高隔离度Ku波段双频双极化微带天线阵 [J], 徐烨;梁仙灵;王文智;叶声;陈
振宁;耿军平;金荣洪
4.Ku波段宽频带高隔离双极化微带天线阵的设计 [J], 李书杰;孙从武;鄢泽洪;张小苗
5.Ku波段宽频带双极化微带天线阵的设计 [J], 林炫龙;姜兴
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一种十字形缝隙耦合的Ku波段宽频带双极化微带天线林炫龙;姜兴;李思敏【摘要】采用十字缝隙耦合,层叠贴片和微带线馈电的结构形式,设计了一种适用于Ku波段的宽频带双极化微带天线.利用电磁仿真软件CST 5.0微波工作室对天线的电特性进行仿真优化,并制作了实物模型,实测结果和仿真结果吻合良好.两馈电端口回波损耗小于-10 dB的阻抗带宽分别达到34.2%和28.7%,端口隔离度高于21.4 dB.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2007(030)017【总页数】3页(P52-54)【关键词】宽频带;双极化;十字缝隙;微带天线【作者】林炫龙;姜兴;李思敏【作者单位】桂林电子科技大学,广西,桂林,541004;桂林电子科技大学,广西,桂林,541004;桂林电子科技大学,广西,桂林,541004【正文语种】中文【中图分类】TN821 引言双极化技术是无线通信领域十分重要的技术，他可用来实现极化分集和极化复用，其中极化分集是解决无线信道多径衰落的有效方法，而极化复用则可以更加有效地利用有限的频谱资源。
微带天线具有低轮廓、体积小、重量轻、极化特性多样化的特点,易与馈电网络、有源电路集成一体化，已成为印刷天线的主角[1]。
1985年D.M.Pozar提出了具有宽带工作特性的缝隙耦合微带天线结构[2]，由于他很好地克服了微带天线传统馈电方式的许多缺点(同轴线引入一较大的电感，共面微带馈电网络的寄生辐射等)且具有独特的优点(如避免了在基片上打孔，便于制作，易实现阻抗匹配等)，极大提高了微带天线的性能。
为进一步提高其工作性能，人们提出了多种改进方法:文献[3]使用近谐振缝隙和微带贴片构成双谐振结构，在C波段实现了22%的驻波比带宽(ρ<2)，但由于缝隙谐振呈强耦合状态，将会在接地板上的两侧产生双向辐射，因此后向辐射问题较为严重；文献[4]在文献[3]基础上采用非谐振缝和层叠微带天线相结合的结构，解决了后向辐射问题，并使天线增益获得一定程度的提高。
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。
一种Ku 波段微带阵列天线研究与设计引言随着无人机、卫星、雷达和通讯等领域的不断发展，对于高频天线的需求也日益增长。
Ku 波段是目前应用十分广泛，常用于卫星通讯、雷达侦测、气象监测等领域，因此Ku 波段微带阵列天线的研究与设计也变得非常重要。
本文主要针对Ku 波段微带阵列天线的研究与设计进行探讨。
我们将从以下几个方面进行展开：首先，介绍Ku 波段微带阵列天线的概念和特点；其次，阐述Ku 波段微带阵列天线的设计原则与方法；最后，利用ADS 软件，设计一款Ku 波段微带阵列天线，并对其进行仿真分析。
一、Ku 波段微带阵列天线的概念和特点Ku 波段是指12GHz-18GHz 的频率范围，其波长在2.5cm-1.7cm 之间。
相比于其他波段，Ku 波段具有以下几个特点：（1）波长较短：由于Ku 波段的波长较短，因此具有高直射性和较强的穿透能力，适合用于通过大气层、云层和一些障碍物进行通信和侦测。
（2）频率高：Ku 波段频率高，可以提供高速数据传输和高分辨率成像，因此在卫星通讯、雷达侦测以及空间观测等领域得到广泛应用。
（3）饱和功率小：Ku 波段饱和功率小，对设备的功率消耗要求低，因此可以延长设备的使用寿命，并减小设备的体积和重量。
在Ku 波段微带阵列天线设计中，需要考虑经济性、可靠性和直射性等因素，以满足不同应用领域的需求。
二、Ku 波段微带阵列天线的设计原则与方法在Ku 波段微带阵列天线的设计中，需要遵循以下原则：（1）形状合理：天线的形状应该合理，并且需要尽量减小天线的体积和重量，以便方便安装和使用。
（2）频率匹配：天线的频率需要与系统中其他元器件频率匹配，以保证系统的正常工作。
（3）方向性好：天线需要具有良好的直射性，并且可以根据需要进行方向性收发。
（4）电路简单：天线的电路设计需要简单，以减小成本和减小故障率。
目前，Ku 波段微带阵列天线设计主要采用以下方法：（1）微带线技术：通过让微带线距离基板轻微偏离，可以实现天线的频率调整和极化调整，实现多种模式之间的转换。
第23卷 第2期2008年4月电 波 科 学 学 报CH INESE JO URNAL OF RADIO SCIENCEVol.23,N o.2April,2008m E -ma il:jiang _x @276文章编号 1005-0388(2008)02-0276-04Ku 波段宽频带双极化微带天线阵的设计*王 宇 姜 兴m 李思敏(桂林电子科技大学通信与信息工程学院,广西 桂林 541004;桂林电子科技大学校长办公室,广西 桂林 541004)摘 要 综合运用了口径耦合的馈电方式、不同介电常数基片及双层贴片结构展宽了微带天线的频带,设计出一种用于Ku 波段双极化宽带微带天线单元。
并由该单元组成了四单元微带天线阵,制作了实验模型。
测量的结果表明,两端口VSWR<1.5的相对阻抗带宽分别为21%和20.7%,隔离度大于17dB,与仿真结果一致。
关键词 Ku 波段;宽带;双极化天线中图分类号 TN965.2 文献标志码 ADesign of a broadband and dua-l polarized microstriparray antenna at Ku bandWANG Yu JIANG Xin LI S-i min(D ep t of Communiocation and I nf or mation Eng ineer ing ,Guilin Univer sity of E lectr onicT echnoloigy ,Guilin Guangx i 541004,China;Of f ice of Univer sity Pr es idents ,Guilin Univ er sity of E lectr onic T echnology ,Guilin Guangx i 541004,China )Abstract Aperture -coupled feeding,different dielectric constant .s substrate and the stacked patch str ucture are used to enhance the bandw idth of m icrostrip anten -na,a broadband and dua-l po larized micr ostrip antenna unit at Ku band is designed.By using the unit designed,a 4-elem ent array antenna is fabricated and tested.T he measured results by netw ork analy zer show that the relative impedance bandw idth of tw o po rts (VSWR is less than 1.5)is 21%and 20.7%,respectiv ely ,and iso la -tio n degr ee is higher than 17dB,w hich are go od ag reem ent w ith the simulatio n r e -sults.Key words Ku band;bro adband;do uble -polarized antenna1 引 言近年来,随着通信容量的不断扩大,对天线的研究朝着双极化、高带宽的方向发展。
现有的一些双极化天线隔离度能达到30dB 以上,但带宽较窄[1,2]。
为增大微带天线带宽,综合运用了口径耦合的馈电方式、不同介电常数基片及双层贴片结构设计出一种用于Ku 波段宽带微带天线单元,并在此基础上设计了工作在12~14GH z 的2@2微带天线阵。
2 口径耦合技术理论分析口径耦合技术相对于其他宽频带技术有一个特别突出的优点:公共口径开在接地板上,使得馈电层与辐射层完全隔离,辐射单元采用低介电常数基片以展宽频带,馈电网络采用高介电常数薄基片以利*收稿日期:2007-01-08. 基金项目:广西研究生教育创新基金资助项目(2007105950809M 10)于将场约束在馈线内。
口径耦合多层微带天线等效电路图如图1所示:图1 口径耦合微带天线等效电路图在模型[3,4]中,槽线中心的阻抗为Z in ,上面两层辐射贴片相对于槽线中心处的输入阻抗为Z patch ,其导纳为Y pa tch ,开槽线相对于馈电中心的输入阻抗为Z solt ,其导纳为Y s olt ,微带馈线终端开路,其长度为l 。
能量从馈线到槽线以及槽线到辐射贴片的耦合,可以用两个理想变压器来表示,其等效电路如图1所示。
考虑到馈线传输准TEM 模,在馈线两边仅有x 方向电流,开在接地板上的槽线耦合到一部分能量,其能量转换比n 1等于总的电流与流过缝隙电流之比:n 1=I i /I p 。
导纳分量Y solt 可以由特征阻抗为Z ca ,波数为k a的两端短路的缝隙求出。
第二个理想变压器的能量转换比可由微带线上的缝隙引入的模电压变化量来计算。
n 2=$V/V 0(1)$V =Q S aEa@H l #d s(2)式中,V 0为口径电压,E a 为口径电场,S a 为口径面积,H l 为微带线归一化磁场。
考虑到长为l s 的短路枝节的影响(特征阻抗为Z c ,波数为k 1),总的输入阻抗由下式得出:Z in =n 22n 21Y patch +Y slot-j Z c cot (k 1l s )(3)3 天线单元的设计天线阵单元采用双层贴片、双层馈电网络设计方案[5],辐射单元采用h =1m m ,E r =2.2的聚四氟乙烯板,馈电网络部分采用h =0.762m m ,E r =3.38的陶瓷碳氢混合物。
上层正方形辐射贴片边长为7.5mm,下层正方形贴片边长为6.4mm,十字缝隙宽度为0.25mm,两层辐射贴片之间以空气层作为间隔,其间距为0.1K 。
引入空气层相当于减小了上层介质板的平均相对介电常数,降低了微带天线的Q 值,从而达到了增加天线带宽的目的,同时也提高了天线的增益。
并对两层馈电网络进行了改进,结构如图2所示。
图2 改进单元其中端口1处的输入阻抗实部约为508,如果直接连接组阵,会使馈电网络尺寸过大,不利于提高增益,为了提高输入端口阻抗值并展宽频带,考虑到单元尺寸,在此基础上采用了两节K /4阻抗变换器将输入端口阻抗提高到1008,同时改变了馈电方向。
端口2处的输入阻抗实部约为1508,馈电线宽度仅有0.25m m,尺寸过细,不利于加工,同样,采用两节K /4阻抗变换器将输入端阻抗降低到1008。
在整个单元的改进过程中其输入阻抗的虚部在频段内变化很小。
在基本确定了天线单元的尺寸后,通过CST 软件进行仿真调试,使单元性能达到设计指标要求。
图3即为通过软件仿真优化后的驻波随频率变化关系。
图3 改进后单元两端口VSWR277第2期 王 宇等:Ku 波段宽频带双极化微带天线阵的设计4 天线子阵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,馈电网络的好坏也起到很大的作用。
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K /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,因此,天线阵列的方向图的频带特性与馈电网络无关,仅取决与阵元的排列分布。
天线阵列的方向性系数和增益随着d/K (d 为阵元间距,K 为中心频率的波长)的变化而变化。
研究表明[6],d/K 在0.7~0.8的时候,方向性系数和增益达到最佳,因此,选择阵元间距d =0.74K 。
对于双极化天线的馈电网络布线,既要简化布线,降低馈线的能量损耗,又要保证两端口有较高的隔离度,满足通讯的要求。
如图4所示,布线时一端口向下布线,二端口向上布线,避免了两层馈线在空间上的交叠而形成带状线,引入不必要的高次模和能量耦合。
同时,应注意经阻抗变换器匹配后微带线的长度,虽然阵元的输出端的阻抗在频带范围内变化很平缓,但是经过T 形接头连接和阻抗匹配后,仍然存在的电抗,因此,选择合适的微带线长度接在阻抗变换器后,以抵消电抗。
经匹配后的两单元,用长度约K /2的1008微带线连接,由于基板尺寸限制,无法完全展开布线,只能用一小段折线来实现。
折线的引入必然会引起馈线间的互耦效应,特别是馈电网络2部分有两条馈线间距很小,对网络S 参数有一定影响,因此需要对馈电端的K /4阻抗变换器做出细微的调整。
图4 四单元阵列匹配网络基于以上设计,对四元阵列进行了仿真优化,根据仿真优化结果制作了实物模型。
使用H PN5230A 矢量网络分析仪对天线的S 参数进行了测试,两端口反射系数仿真及测试结果见图5,隔离度仿真测试结果见图6。
图7给出了天线在中心频率处1端口和2端口仿真远场方向图。
从测试结果来看,两个端口的反射系数曲线与仿真结果非常相似,均出现两个谐振点,其中1端口第一谐振点与仿真结果相比向低端偏移200MH z,但下潜深度增大,谐振效果更好,在11.77~14.5GH z 内S 11<-14dB,相对阻抗带宽达到21%;2端口谐振频率与仿真值很接近,在11.9~14.6GHz 内S 11<-14278电 波 科 学 学 报第23卷dB,相对阻抗带宽达到20.7%,满足设计系统对天线工作频带的要求(中心频率在13GH z,相对阻抗带宽为12~14GH z),并在高低端都留有一定的冗余保护带宽。
隔离度曲线与仿真结果相比曲线形状很接近,由于实物模型调试后其谐振效果好于仿真值,因此实测值比仿真值整体低2~3dB,达到-17dB以下,天线阵列的辐射特性良好。
5结论双极化微带天线通常要求有较高的隔离度,在获得良好的端口隔离特性的基础上提高天线的工作频带宽度一直是科研工作者研究的重点。
综合运用了口径耦合的馈电方式、不同介电常数基片及双层贴片结构展宽微带天线带宽,设计制作了Ku波段四元阵宽带双极化天线,测试结果与仿真较一致,验证了理论的正确性,阵列各项指标达到设计要求。
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