微带反射阵列天线的研究与设计

2020年第09期(总第402期)电子质量作者简介院张闻涛(1982-)，男，高级工程师，硕士，研究方向为弹载雷达相控阵天线、波导缝隙天线、超宽带天线。

一种串馈微带平面天线阵列的设计Design of a Series-Fed Microstrip Plane Array Antenna张闻涛(中国空空导弹研究院,河南洛阳471009)Zhang Wen-tao (China Airborne Missile Academy,Henan Luoyang 471009)摘要：设计了一种应用于成像的二维天线平面阵列，利用串行馈电的方式，减小了大型阵列因较长馈线而带来的损耗，保证了天线增益，采用四分之一阻抗变换线进行加权，在带宽内天线在两个主平面副瓣在均低于-20dB，达到了设计要求，实现了微带阵列天线的低副瓣、高增益、宽频带的指标。

关键词：串馈微带阵列天线；低副瓣；宽频带中图分类号：TN820文献标识码：A文章编号：1003-0107(2020)09-0091-04Abstract:A two-dimensional antenna array is designed for imaging.The use of serial feed is used to reduce the loss of large arrays due to the longer feeder,which ensures the antenna gain and uses a quarter of the impedance The conversion line is weighted,and the antenna in the bandwidth is lower than -20dB in the two main plane sidelobes,which meets the design requirements,and achieves the low sidelobe,high gain and wide band of microstrip antenna.Key words:stringed microstrip array antenna;low sidelobe;wide band CLC number:TN820Document code:AArticle ID ：1003-0107(2020)09-0091-040引言微带天线具有低剖面、质量小、便于加工、成本低廉、易于与微波电路共面集成等优点，在机载通信、导航、识别、雷达和电子对抗等无线电领域得到广泛应用。

摘要摘要平面反射阵列天线综合了传统抛物面天线和微带阵列天线的特点，它将反射面制作成平面型，没有复杂的馈电结构、剖面低、加工简单、成本低。

选择柔性板材作为介质材料的可折叠平面反射阵列天线不仅继承了平面反射阵列天线的常规优点，且具有质量轻、收拢体积小、成本低、可实现折叠与展开等进一步优势，具有广泛的应用前景。

本论文围绕X波段可折叠平面反射阵列天线的实现问题进行了详细的理论和实验研究，具体内容如下：1．为了实现平面反射阵列天线的可折叠特性，选择一种柔性板材作为介质材料是本论文至关重要的一步。

通过广泛调研并结合实际情况，最终把聚酰亚胺薄膜材料作为研究天线的介质材料，它具有厚度薄、韧度好、耐磨等特点，可实现折叠与展开，符合本论文的设计要求。

2．为了拓宽天线带宽以及降低加工难度，提出了一种结构简单、具有多谐振特点的宽带特性单元。

在充分考察结构参数、入射角、频率对天线单元相移曲线影响的基础上，优化获得了宽带范围内的线性相移曲线，给出了天线单元结构的设计方案。

3．利用上述给出的单元结构，设计了一种小口径（180mm180mm⨯）的可折叠平面反射阵天线，仿真表明：平面反射阵天线与同等口径的抛物面具有一致的远场方向图，在频率9.5GHz11.5GHz～（相对带宽20%）范围内，增益最大跌落小于1dB。

初步验证了单元的准确性，为制作大口径天线奠定了基础。

4．设计了大口径（300mm324mm⨯）的可折叠平面反射阵列天线，并完成了加工与测试。

测试结果表明：在频率9.5GHz11.5GHz～（相对带宽20%）范围内，最高副瓣电平均小于16dB-，其最高实测增益为28.78dB，最低实测增益为28.2dB，最大实测增益跌落在1dB范围内，实现了宽带宽特性。

在中心频率为10GHz处，实测增益为28.37dB，副瓣电平为20dB-，3dB波束宽度为6.1度，此时天线口径效率为50.6%，实现了高辐射效率。

介质材料本身可卷曲、轻质量且厚度很薄，仅为0.05mm，实现了可折叠、轻量化、收拢体积小等特性。

ETC系统5.8GHz微带二元天线阵列设计与仿真代玲玉1，张立华21. 武汉理工大学电信系，武汉（430070）2. 总装驻3303厂军事代表室，武汉（430200）E-mail：sunlit1986@摘要：本文介绍了几种常用的天线，简要分析微带贴片天线工作原理，设计一种适用于ETC系统的工作在5.8GHz的微带二元贴片天线阵列。

并通过Ansoft HFSS V9.2软件仿真分析，结合Smith V2.0进行阻抗匹配，得到天线的方向图、输入阻抗以及S参数，仿真结果较好，为实际天线制作与测试提供十分有价值的参考信息。

关键词：ETC系统；5.8GHz；微带二元天线阵；Ansoft HFSS V9.2；Smith V2.01 引言随着社会的高速发展，交通阻塞、拥挤现象日趋严重，各国家利用电子、通信等高新技术来改造现有道路运输系统和管理体系，依此来大幅度提高路网通行能力和服务质量。

ETC(Electronic Toll Collection)即电子不停车收费系统，是一种用于道路、大桥和隧道的电子收费系统。

使用该系统，车主通过收费站时不需要停车，耗时不到两秒，该收费通道的通行能力是人工收费通道的5到10倍。

ETC系统通过安装于车辆上的车载装置和安装在收费站车道上的天线之间进行无线通信和信息交换。

车辆自动识别技术是其中最重要的技术，采用工作波段在5.8GHz的微波非接触式ID卡来完成识别工作，而天线是实现该项技术的重要元件。

其中采用Ansoft HFSSV9.2软件对所需天线进行仿真设计可以直观地看到天线的特性，减少很多工作量，进而更快更准确地设计出符合实际需求的天线[1]。

2天线天线的作用是把传输结构上的导波转换成自由空间波。

IEEE官方对天线的定义：“发射或接收系统中，经设计用于辐射或接收电磁波的部分。

”时变的电流和被加速的电荷都可以产生辐射，辐射产生的电磁能量能够在空间中传播。

天线能够定向辐射和接收电磁能量[2]。

Ka波段宽带圆极化微带天线单元及阵列设计胡志慧;姜永华;李娜;凌祥【摘要】设计了一种基于矩形缝隙耦合的Ka波段圆极化微带天线单元,分析了各参数对轴比特性的影响；为改善天线的轴比带宽和圆极化纯度,采用顺序旋转馈电技术,设计了4×4宽带圆极化微带天线阵列.仿真结果表明,该天线阵列具有良好的宽带特性,其阻抗带宽(S11＜-10dB)达25％ (31.4 ～40.2GHz),轴比带宽(AR ＜3dB)达17％ (31.8 ～37.8GHz).【期刊名称】《弹箭与制导学报》【年(卷),期】2013(033)002【总页数】4页(P129-132)【关键词】宽带圆极化;顺序旋转馈电;矩形缝隙耦合;Ka波段【作者】胡志慧;姜永华;李娜;凌祥【作者单位】海军航空工程学院,山东烟台264001【正文语种】中文【中图分类】TN820 引言Ka波段是毫米波段中的一部分，其微带天线具有体积小、重量轻、剖面薄、易共形、方向性好、探测精度高等优点，已经在通信、导航、制导、引信等方面获得了广泛应用。

然而，在Ka波段，雨雾等空中水凝物对电磁波后向散射形成的雨杂波严重影响了雷达的探测精度。

由于圆极化微带天线可以有效抑制雨杂波干扰和抗多径反射[1]，从而可减弱雨杂波对雷达探测性能的影响，因此，对Ka波段圆极化微带天线的研究有重要意义。

微带天线获得圆极化的基本原理是激起两个幅度相等、极化方式正交的线极化波，其实现方法主要有单馈法及多馈法。

文献[2]采用方形切角微带天线单元研制了毫米波圆极化单脉冲天线阵列，尽管结构简单，但轴比带宽只有1.2%，极化性能也较差;文献[3]研制了Ka波段高增益圆极化微带天线阵列，轴比带宽得到一定提高，达到了5.6%;文献[4]和文献[5]分别采用4层介质耦合馈电和正交 H形口径耦合馈电设计了宽带圆极化微带天线，获得了较宽的阻抗带宽和轴比带宽，但这种天线结构比较复杂，尺寸比较大，不适合阵列天线的应用。

阵列天线分析与综合前言任何无线电设备都需要用到天线。

天线的基本功能是能量转换和电磁波的定向辐射或接收。

天线的性能直接影响到无线电设备的使用。

现代无线电设备，不管是通讯、雷达、导航、微波着陆、干扰和抗干扰等系统的应用中，越来越多地采用阵列天线。

阵列天线是根据电磁波在空间相互干涉的原理，把具有相同结构、相同尺寸的某种基本天线按一定规律排列在一起组成的。

如果按直线排列，就构成直线阵；如果排列在一个平面内，就为平面阵。

平面阵又分矩形平面阵、圆形平面阵等；还可以排列在飞行体表面以形成共形阵。

在无线电系统中为了提高工作性能，如提高增益，增强方向性，往往需要天线将能量集中于一个非常狭窄的空间辐射出去。

例如精密跟踪雷达天线，要求其主瓣宽度只有1/3度；接收天体辐射的射电天文望远镜的天线，其主瓣宽度只有1/30度。

天线辐射能量的集中程度如此之高，采用单个的振子天线、喇叭天线等，甚至反射面天线或卡塞格伦天线是不能胜任的，必须采用阵列天线。

对一些雷达设备、飞机着陆系统等，其天线要求辐射能量集中程度不是很高，其主瓣宽度也只有几度，虽然采用一副天线就能完成任务，但是为了提高天线增益和辐射效率，降低副瓣电平，形成赋形波束和多波束等，往往也需要采用阵列天线。

在雷达应用中，其天线即需要有尖锐的辐射波束又希望有较宽的覆盖范围，则需要波束扫描，若采用机械扫描则反应时间较慢，必须采用电扫描，如相控扫描，因此就需要采用相控阵天线。

在多功能雷达系统中，既需要在俯仰面进行波束扫描，又需要改变相位展宽波束，还需要仅改变相位进行波束赋形，实现这些功能的天线系统只有相控阵天线才能完成。

随着各项技术的发展，天线馈电网络与单元天线进行一体化设计成为可能，高集成度的T/R组件的成本越来越低，使得在阵列天线中的越来越广泛的采用，阵列天线实现低副瓣和极低副瓣越来越容易，功能越来越强。

等等。

综上所述，采用阵列天线的原因大致有如下几点：■容易实现极窄波束，以提高天线的方向性和增益；■易于实现赋形波束和多波束；■易于实现波束的相控扫描；■易于实现低副瓣电平的方向图。

宽带平面反射阵和多层频率选择表面研究及其应用1. 研究背景随着无线通信技术的飞速发展和普及，电磁波的利用和控制已成为现代科技领域的关键问题。

平面反射阵和频率选择表面（FSS）作为电磁波调控的重要工具，在雷达、卫星通信、无线通信、隐身技术等领域有着广泛的应用前景。

宽带平面反射阵能够实现对入射电磁波的宽频带、高效率反射，而多层频率选择表面则能够针对特定频率的电磁波进行选择性透射或反射。

深入研究宽带平面反射阵和多层频率选择表面的性能特点、设计原理以及应用技术，对于推动无线通信技术的发展、提升电磁波调控能力具有重要的理论和实际意义。

近年来，随着计算电磁学、材料科学、微纳加工技术等多学科的交叉融合，宽带平面反射阵和多层频率选择表面的研究取得了显著的进展。

新型材料和先进工艺的应用，使得阵列的反射透射性能得到了极大的提升，同时也为阵列的小型化、集成化、多功能化提供了可能。

随着应用需求的不断提升，阵列的宽带化、高效率、小型化、多功能化等仍然面临着诸多挑战。

本文将重点围绕宽带平面反射阵和多层频率选择表面的研究现状、设计原理、关键技术以及应用前景进行深入的探讨和分析，以期为相关领域的研究和应用提供有益的参考和借鉴。

2. 理论基础宽带平面反射阵和多层频率选择表面（FSS）的研究与应用，涉及多个电磁学、波动理论和信号处理的基础理论。

根据电磁波传播理论，电磁波在介质中的传播行为受介电常数和磁导率的影响。

对于宽带平面反射阵，关键在于通过设计特定的表面结构，实现对宽频带内电磁波的反射行为的有效控制。

这通常涉及到对表面结构单元的几何形状、尺寸和排列方式的精确设计，以达到期望的反射特性。

多层频率选择表面（FSS）的设计则依赖于FSS单元的电磁特性，包括透射、反射和散射等。

FSS能够对特定频率的电磁波进行选择性的透射或反射，从而实现空间滤波的功能。

多层FSS的设计则需要考虑层间耦合效应，以及如何优化多层结构以实现所需的频率选择特性。

基于ADS的微带天线的设计与仿真The design and simulation of PIFA based on ADS王伟堃（Wang Weikun）06250109计算机与通信学院本科生毕业设计说明书基于ADS的微带天线的设计与仿真作者：王伟堃学号：06250109专业：通信工程班级：06级通信工程（1）班指导教师：侯亮答辩时间：2010年6月15日平面倒F天线(PIFA,Planar Inverted F Antenna)主要应用在手机终端中，由于其体积小、重量轻、成本低、性能好，符合当前无线终端对天线的要求，因而得到广泛的应用，进行了许多研究工作。

先进设计系统(Advanced Design System)，简称ADS，是安捷伦科技(Agilent)为适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款EDA软件。

软件迅速成为工业设计领域EDA软件的佼佼者，因其强大的功能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能力（尤其在射频微波领域），而得到了广大IC设计工作者的支持。

ADS可以模拟整个信号通路，完成从电路到系统的各级仿真。

它把广泛的经过验证的射频、混合信号和电磁设计工具集成到一个灵活的环境中，包括从原理图到PCB 板图的各级仿真，当任何一级仿真结果不理想时，都可以回到原理图中重新进行优化，并进行再次仿真，直到仿真结果满意为止，保证了实际电路与仿真电路的一致性。

本设计通过ADS软件对微带天线进行设计，设计了平面倒F天线，即PIFA天线的设计以及利用Hilbert分型结构对天线小型化设计。

论文主要包括：PIFA天线的介绍，ADS软件的使用，PIFA天线的设计以及仿真，优化及结果分析等容。

论文结构安排如下：第一章绪论；第二章FIFA天线原理及介绍；第三章ADS软件的使用；第四章PIFA天线的设计；第五章仿真优化及结果分析。

第一章介绍了本设计要解决的问题，提出了用ADS软件设计PIFA天线。

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。

双频带圆极化微带阵列天线设计胡金艳;杨君;秦文华;赵建平;徐娟【摘要】利用旋转馈电技术设计了一种双频带圆极化微带阵列天线,以扩充天线的通信容量,提高抗干扰能力.天线由四个对角切角的矩形贴片和一个金属矩形环组成.天线利用贴片切角实现圆极化,利用两个贴片的对角线长度不等实现双频特性.天线中心的矩形环既可当做馈电网络,为圆极化波提供所需的递增相位,又可以提高天线的辐射性能.最后,利用电磁仿真软件HFSS对天线的性能进行数值计算,阵列天线的-10 dB阻抗带宽分别为1.3～1.4 GHz和1.55～1.58 GHz,3 dB轴比带宽分别为1.36～1.42 GHz和1.6～1.62 GHz.%A dual-band circularly-polarized micro-strip patch array, by using a sequential-phase feeding network, is designed and implemented, thus to expand the communication capacity and improve the anti-interference capability. The antenna, composed of four rectangular patches with diagonally tangential angles and one metal rectangular ring, is circularly-polarized by using the corner patch, while the dual-frequency is realized by using the unequal diagonal lengths of two patches. The mental square ring in the center of the antenna may act as a feeding network, which provides both the increasing phase for circularly-polarized wave and a radiator to enhance the performance of the antenna. Finally, the simulation on the antenna with HFSS software indicates that the -10 dB impedance bandwidth of the patch array is 1.3～1.4 GHz and 1.55～1.58 GHz , and the measured 3dB AR bandwidth 1.36～1.42 GHz and 1.6～1.62 GHz respectively.【期刊名称】《通信技术》【年(卷),期】2018(051)001【总页数】6页(P234-239)【关键词】旋转馈电;双频带;圆极化;微带阵列【作者】胡金艳;杨君;秦文华;赵建平;徐娟【作者单位】曲阜师范大学物理工程学院,山东曲阜 273165;曲阜师范大学物理工程学院,山东曲阜 273165;曲阜师范大学物理工程学院,山东曲阜 273165;曲阜师范大学物理工程学院,山东曲阜 273165;曲阜师范大学物理工程学院,山东曲阜273165【正文语种】中文0 引言与线极化天线相比，圆极化天线有几个重要的优势：对抗多径干扰或衰落﹑减少电离层的“法拉第旋转”效应和降低极化失配。

微带天线综述摘要：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，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的要求。

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，设计出具有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。

二、微带天线2.1微带天线[1]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。

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。