李 飛
(南京熊貓漢達(dá)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(jì)
李 飛
(南京熊貓漢達(dá)科技有限公司,江蘇 南京 210014)
文章設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了寬頻帶性能。仿真表明,天線單元的相對(duì)阻抗帶寬(S11<﹣10 dB)達(dá)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艓挼囊笤絹碓礁撸脩魧?duì)高速數(shù)據(jù)、高清視頻的需求是沒有盡頭的。因此不斷擴(kuò)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(gè)長期研究目標(biāo)。對(duì)于工作在Ku頻段的動(dòng)中通衛(wèi)星通信天線,帶寬越寬,能力越強(qiáng),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(lì)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(diǎn),廣泛用于雷達(dá)和通信領(lǐng)域[2]。但是,微帶天線缺點(diǎn)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(jì)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(gè)匹配枝節(jié),上層貼片四周放置了4個(gè)寄生貼片,進(jìn)一步擴(kuò)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(duì)天線單元進(jìn)行仿真驗(yàn)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(duì)阻抗帶寬達(dá)到了17.2%。13.75 GHz(中心頻點(diǎn))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(gè)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(jì)的天線單元,本文設(shè)計(jì)了一個(gè)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(jìn)行阻抗匹配,保證天線陣的帶寬。陣列設(shè)計(jì)中考慮了減少饋電網(wǎng)絡(luò)中的寄生輻射和損耗對(duì)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(shí)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(duì)阻抗帶寬17.2%,增益大于8.4 dBi。四單元天線陣的增益可達(dá)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(jì)適合實(shí)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(dòng)中通天線領(lǐng)域,也適合應(yīng)用在雷達(dá)和導(dǎo)航等領(lǐng)域。
[1]鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1991.
[2]張琦,萬國賓,李裕,等.一種新型Ku波段超寬帶微帶天線的仿真設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào),2012(6):53-56.
[3]ZhANG FL,PANG SK. A method for designing broad-hand microstip antennas in multilayered palnar structures[J].IEEE Trans ations on Antennas Propag ation,1997(9):1416-1420.
[4]WU CK,WONG KL. Broadband microstrip antenna with directly coupled and gap-coupled parasitic patches[J].Microwave Optical Technology Letters,1999(5):348-349.
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。