李 飛
(南京熊貓漢達科技有限公司,江蘇 南京 210014)
一種新穎的Ku頻段寬帶微帶天線陣的設(shè)計
李 飛
(南京熊貓漢達科技有限公司,江蘇 南京 210014)
文章設(shè)計了一種新穎的Ku頻段寬帶微帶天線陣。該陣列的天線單元為分層結(jié)構(gòu),通過在饋線增加匹配枝節(jié),上層貼片附加寄生單元,實現(xiàn)了寬頻帶性能。仿真表明,天線單元的相對阻抗帶寬(S11<﹣10 dB)達到了17.2%,頻帶內(nèi)增益大于8.4 dBi,四單元天線陣的增益大于15.1 dBi。
Ku頻段;微帶天線陣;寬帶
隨著技術(shù)的發(fā)展,無線通信領(lǐng)域?qū)νㄐ艓挼囊笤絹碓礁?,用戶對高速?shù)據(jù)、高清視頻的需求是沒有盡頭的。因此不斷擴大通信容量,提高天線的電性能,降低天線的重量和體積成為該領(lǐng)域的一個長期研究目標。對于工作在Ku頻段的動中通衛(wèi)星通信天線,帶寬越寬,能力越強,越能適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。
微帶天線是利用微帶線或同軸線等饋線饋電,在導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場,通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射[1]。因其體積小、重量輕、剖面低、可共形、易集成及便于匹配等優(yōu)點,廣泛用于雷達和通信領(lǐng)域[2]。但是,微帶天線缺點是帶寬比較窄。研究表明,采用多層結(jié)構(gòu)增加天線厚度、天線輻射單元附加寄生單元[3-4]、降低微帶天線的Q值、采用電磁耦合饋電和附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等措施可以一定程度地增加微帶天線的帶寬。
本文設(shè)計了一種新穎的Ku頻段寬帶微帶天線陣,結(jié)構(gòu)簡單、加工方便。仿真結(jié)果表明,天線在寬帶范圍內(nèi)有較高和較平坦的增益,性能良好。
天線單元為分層結(jié)構(gòu),由兩層微帶和介質(zhì)板組成。下層微帶包括輻射單元、饋電端口和匹配枝節(jié),上層微帶包括上層貼片和寄生單元。傳統(tǒng)的雙層微帶天線本身就可以滿足一定的帶寬要求,本文在下層微帶的饋電端口上增加一個匹配枝節(jié),上層貼片四周放置了4個寄生貼片,進一步擴展了天線的帶寬。
如圖1所示,天線單元由兩層介質(zhì)板組成,上下層介質(zhì)板之間夾著一層空氣,厚度0.75 mm。介質(zhì)板厚度0.254 mm,介電常數(shù)2.2。上、下層貼片的結(jié)構(gòu)俯視如圖2所示。饋電端口位于下層介質(zhì)板,與下層貼片共面,匹配枝節(jié)長度是L4,寬度W3。上層貼片周邊一定距離處環(huán)繞著4塊寄生貼片。天線單元關(guān)鍵參數(shù)及尺寸如表1所示。
表1 天線單元關(guān)鍵參數(shù)及尺寸
續(xù)表1
圖1 天線結(jié)構(gòu)俯視圖和側(cè)視
圖2 貼片俯視
采用全波電磁仿真軟件CST2015對天線單元進行仿真驗證。天線回波損耗仿真結(jié)果如圖3所示,可以看出在12.5 ~14.8 GHz天線的回波損耗小于﹣10 dB,相對阻抗帶寬達到了17.2%。13.75 GHz(中心頻點)V面方向圖如圖4所示,天線增益9.5 dBi,13.75 GHz H面方向圖如圖5所示。全頻帶內(nèi)增益隨頻率變化曲線如圖6所示,增益是隨著頻率增加而遞增的,整個頻帶內(nèi)增益大于8.4 dBi。
圖3 天線單元回波損耗
圖4 13.75 GHz V面方向圖
圖5 13.75GHz H面方向圖
圖6 天線增益隨頻率變化曲線
根據(jù)以上設(shè)計的天線單元,本文設(shè)計了一個四單元微帶天線陣列,結(jié)構(gòu)如圖7所示。饋電網(wǎng)絡(luò)采用的是并饋形式。采用多節(jié)阻抗變換結(jié)構(gòu)進行阻抗匹配,保證天線陣的帶寬。陣列設(shè)計中考慮了減少饋電網(wǎng)絡(luò)中的寄生輻射和損耗對天線增益的影響。天線陣尺寸長70 mm,寬15 mm。四單元天線陣在13.75 GHz的垂直極化輻射方向圖如圖8所示,增益15.1 dBi。
圖7 四單元天線陣
圖8 13.75 GHz四單元陣輻射方向圖
本文采用雙層貼片微帶天線,在饋線上增加匹配枝節(jié)和上層貼片增加附加寄生單元的技術(shù)實現(xiàn)了一種新穎的高增益、寬帶微帶天線陣。天線結(jié)構(gòu)簡單,加工方便。仿真結(jié)果表明,天線單元帶寬12.5~14.8 GHz,相對阻抗帶寬17.2%,增益大于8.4 dBi。四單元天線陣的增益可達15.1 dBi。結(jié)果表明天線具有良好的性能,以此為基礎(chǔ)設(shè)計適合實際應(yīng)用需求的Ku頻段寬帶微帶天線陣,適合應(yīng)用在衛(wèi)星通信動中通天線領(lǐng)域,也適合應(yīng)用在雷達和導(dǎo)航等領(lǐng)域。
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Design of a novel Ku-band broadband microstrip antenna array
Li Fei
(Nanjing Panda Han Da Technology Co., Ltd., Nanjing 210014, China)
This paper designs a novel Ku-band broadband microstrip antenna array. The antenna element of the array is a layered structure. By adding a matching branch to the feeder, the upper patch attached parasitic unit, to achieve a wide band performance. The simulation results show that the relative impedance bandwidth of the antenna element(S11<-10 dB)is 17.2% and the gain in the band is larger than 8.4 dBi. The gain of the four-cell antenna array is greater than 15.1 dBi.
Ku-band; microstrip antenna array; broadband
李飛(1983— ),男,河南開封。