一种新颖的Ku频段宽带微带天线阵的设计

李 飞

（南京熊猫汉达科技有限公司，江苏 南京 210014）

一种新颖的Ku频段宽带微带天线阵的设计

李 飞

（南京熊猫汉达科技有限公司，江苏 南京 210014）

文章设计了一种新颖的Ku频段宽带微带天线阵。该阵列的天线单元为分层结构，通过在馈线增加匹配枝节，上层贴片附加寄生单元，实现了宽频带性能。仿真表明，天线单元的相对阻抗带宽（S11＜﹣10 dB）达到了17.2%，频带内增益大于8.4 dBi，四单元天线阵的增益大于15.1 dBi。

Ku频段；微带天线阵；宽带

随着技术的发展，无线通信领域对通信带宽的要求越来越高，用户对高速数据、高清视频的需求是没有尽头的。因此不断扩大通信容量，提高天线的电性能，降低天线的重量和体积成为该领域的一个长期研究目标。对于工作在Ku频段的动中通卫星通信天线，带宽越宽，能力越强，越能适应不同的应用场合。

微带天线是利用微带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射[1]。因其体积小、重量轻、剖面低、可共形、易集成及便于匹配等优点，广泛用于雷达和通信领域[2]。但是，微带天线缺点是带宽比较窄。研究表明，采用多层结构增加天线厚度、天线辐射单元附加寄生单元[3-4]、降低微带天线的Q值、采用电磁耦合馈电和附加阻抗匹配网络等措施可以一定程度地增加微带天线的带宽。

本文设计了一种新颖的Ku频段宽带微带天线阵，结构简单、加工方便。仿真结果表明，天线在宽带范围内有较高和较平坦的增益，性能良好。

1 单元设计

天线单元为分层结构，由两层微带和介质板组成。下层微带包括辐射单元、馈电端口和匹配枝节，上层微带包括上层贴片和寄生单元。传统的双层微带天线本身就可以满足一定的带宽要求，本文在下层微带的馈电端口上增加一个匹配枝节，上层贴片四周放置了4个寄生贴片，进一步扩展了天线的带宽。

如图1所示，天线单元由两层介质板组成，上下层介质板之间夹着一层空气，厚度0.75 mm。介质板厚度0.254 mm，介电常数2.2。上、下层贴片的结构俯视如图2所示。馈电端口位于下层介质板，与下层贴片共面，匹配枝节长度是L4，宽度W3。上层贴片周边一定距离处环绕着4块寄生贴片。天线单元关键参数及尺寸如表1所示。

表1 天线单元关键参数及尺寸

续表1

图1 天线结构俯视图和侧视

图2 贴片俯视

采用全波电磁仿真软件CST2015对天线单元进行仿真验证。天线回波损耗仿真结果如图3所示，可以看出在12.5 ～14.8 GHz天线的回波损耗小于﹣10 dB，相对阻抗带宽达到了17.2%。13.75 GHz（中心频点）V面方向图如图4所示，天线增益9.5 dBi，13.75 GHz H面方向图如图5所示。全频带内增益随频率变化曲线如图6所示，增益是随着频率增加而递增的，整个频带内增益大于8.4 dBi。

图3 天线单元回波损耗

图4 13.75 GHz V面方向图

图5 13.75GHz H面方向图

图6 天线增益随频率变化曲线

2 阵列设计

根据以上设计的天线单元，本文设计了一个四单元微带天线阵列，结构如图7所示。馈电网络采用的是并馈形式。采用多节阻抗变换结构进行阻抗匹配，保证天线阵的带宽。阵列设计中考虑了减少馈电网络中的寄生辐射和损耗对天线增益的影响。天线阵尺寸长70 mm，宽15 mm。四单元天线阵在13.75 GHz的垂直极化辐射方向图如图8所示，增益15.1 dBi。

图7 四单元天线阵

图8 13.75 GHz四单元阵辐射方向图

3 结语

本文采用双层贴片微带天线，在馈线上增加匹配枝节和上层贴片增加附加寄生单元的技术实现了一种新颖的高增益、宽带微带天线阵。天线结构简单，加工方便。仿真结果表明，天线单元带宽12.5～14.8 GHz，相对阻抗带宽17.2%，增益大于8.4 dBi。四单元天线阵的增益可达15.1 dBi。结果表明天线具有良好的性能，以此为基础设计适合实际应用需求的Ku频段宽带微带天线阵，适合应用在卫星通信动中通天线领域，也适合应用在雷达和导航等领域。

[1]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1991.

[2]张琦，万国宾，李裕，等.一种新型Ku波段超宽带微带天线的仿真设计[J].微波学报，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

李飞（1983— ），男，河南开封。