C波段高增益平板微带天线的设计
C波段口径耦合宽带高增益贴片天线阵列设计
１ ． 引 言
微 带 天线 拥 有 体 积 小 、低 剖 面 、 蓖 量 轻 、 易其 形 、 易集 成 等 优 点 ，合 理设 计 的微 带 天线 阵列 可 以满 足高 增益 、 高带 宽 的工程 需 求 。 贴片 犬线 足 一种 谐振 式微 带 天线 ，效率 高是 其 最大 的特 点 ，但 阻 抗 频带 较 窄 １ 。微 带缝 天线 的 带宽 比微带 贴 片天 线 稍 高 ，但 是此 类 天 线 单 向辐 射 应川 上 设 计 复杂 】 。近 年 来 ，研 究 者们 在 腱 宽微 带 贴 片天 线频 带 宽度 方面 做 了大 量研 究 ，取 得 了许 多研 究成 果 ，并 已大量 应用 于 包括 雷达 、通 信 、生物 医 学等 领域 。 本文 发 ‘ 了一 种 基 于［ Ｉ 径 耦 合馈 电的微 带贴 片天 线 ，具 备 大带 宽特 征 。 该天 线通 过地 板 的开 缝结 构 形成 馈线 与 贴片 之 间 的电磁 耦 合 。这 种馈 电形式 ，首先 解决 了 传 统 贴片 天线 带 宽 窄的缺 陷 ， 同时 馈线 与 ｛ ｌ ！ Ｉ ｉ 片住 结构 上 隔离 ，也 有 效改 善 ｒ因辐 射 寄生 效应 带来 的设 计优 化 难度 平 ｌ 】 组阵 难 度 。设计 优化 中发现 ，辐 射 贴 片 天线 阵列 馈 电 网络 的相 互 影响 较 小 ，住大 规模 阵 列设 计 中技 术可 控性 较 高 。由 于 该天 线 具有 多层 基板 结 构 ，将辐 射 贴片 设计 在基 板 问 的空 气层 ， 这 种设 计 使得 金属 贴 片更 好地 应对 雨雾 、湿 热等环 境 ， 人人提 高了 天线 本 身 的环境 适应 性和 可 靠性 。
ＥＬ Ｅ ＣＴＲ ＯＮＩ Ｃ Ｓ Ｗ ０ＲＬ Ｄ・
觞
Ｃ 波 段 口径 耦合 宽带 高增 益 贴 片天 线 阵列 设计
一种C波段宽带高增益微带天线[实用新型专利]
![一种C波段宽带高增益微带天线[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/700bf54bb0717fd5370cdce5.png)
专利名称：一种C波段宽带高增益微带天线专利类型：实用新型专利
发明人：黄硕辉,李婷煜,谢峰
申请号：CN201822039409.0
申请日：20181206
公开号：CN209344311U
公开日：
20190903
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种C波段宽带高增益微带天线，包括金属安装底座，金属安装底座的顶部中央位置开设有矩形凹槽，金属安装底座的顶部固定连接有FR微带介质板，FR微带介质板底部且位于矩形凹槽的内部固定连接有耦合阻抗匹配微带圆贴片，耦合阻抗匹配微带圆贴片远离FR微带介质板的一端固定连接有SMA同轴馈电探针，FR微带介质板的顶部固定连接有三角形微带贴片，本实用新型涉及微带天线技术领域。
该一种C波段宽带高增益微带天线，达到了辐射增益强，角度大的效果，结构合理简单，使用方便，增强了天线辐射增益，扩大了天线可用频带带宽，增强了天线性能稳定性和可辐射范围角度，使用范围广。
申请人：湖南金翎箭信息技术有限公司
地址：410000 湖南省长沙市高新开发区尖山路39号长沙中电软件园总部大楼15楼1503-1505室国籍：CN
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一种C波段弹载共形微带天线阵列设计
０ 引 言
在 航 空航 天 领域 ， 由于要 考 虑 到空 气 动力 学 的
Ｒ 一 １ ２ ０ Ａ ０ ｈ Ｑｃｏｓ ｎｙ — ｏ
—
进行 组 阵 。本 文首 先 提 出了一 种 新 型 微 带 天 线 ， 为 了提 高天 线 增 益 ， 对 其 进 行 组 阵设 计 ， 用 ＨＦ Ｓ Ｓ软
为 了克服 微 带 天线 的缺点 ， 科研 人 员进 行 了很 多研 究 ， 并取得 了很 大 进 展 。拓 宽 微 带天 线 频 带 的 方 法有很 多 ， 如增 大 介 质层 厚 度 、 附加 寄 生 贴 片 、 天 线 加载等 ， 但 这些 方 法往 往 是 以降 低 天线 增 益 为 代 价 的 ］ 。而为 了提 高 天 线 增 益 ， 可 以 对 微 带 天 线
（ Ｔｈ ｅ ７ ２ ３ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ ＣＳ Ｉ Ｃ， Ｙａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ２ ２ ５ ０ ０ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔｈｉ ｓ ｐ ａ ｐｅ ｒ ｐｒ ｏ ｐ ｏｓ ｅ ｓ ａ ｃ ｏ ｌ ｕｍｎｉ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｔ ｅ ｎ ｎａ ａ ｒ ｒ ａ ｙ ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｌ ｅ — ｂｏ ｒ ｎｅ ｅ ｑ ｕｉ ｐ ｍｅ ｎｔ ， ａ ｎｄ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏｒ ｍｓ ｔ ｈｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏｎ， ｕ ｓ ｅ ｓ ａ ｎｅ ｗ ｈｉ ｇｈ — ｇａ ｉ ｎ ｍｉ ｃ ｒ ｏｓ ｔ ｒ ｉ ｐ ａ ｎ ｔ ｅ ｎ ｎａ ａ ｓ ｔ ｈｅ ａ ｎｔ ｅ ｎｎ ａ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎｔ ．Ｔｈｅ
C波段高增益宽带准八木天线阵列
通过 电磁仿真软件 Ｃ ＴＭ ｃ ｗ ｖ ｔ ｉ Ｓ ｉ ｏ ａ Ｓ ｄ ￣仿 真和 ｒ ｅ ｕｏ
实验 的方法 对 天线进 行 研 究 ， 出了结 构 参 数 对 天 得
线性 能影 响 的详 细结 果 。
八 木天 线 的设 计方 案 ， 是 这类 准 八 木 天线 一 般 由 但 馈 电单 元 和辐 射单 元 两部 分 组 成 ， 电单元 部 分包 馈 含 了阻抗 变 换 器 和 平 衡／ 平 衡 转 换 器 ， 而 导致 不 从 了天线 及其 阵列 的尺寸 偏 大 Ｊ 。文 献 ［ ］ 出 了一 ３提 种 槽线 馈 电的印刷 八 木 天线 ， 获得 了较 小 的天 线单 元 尺 寸 ， 是 由于 引 入 了相 对 较 大 的馈 线 尺 寸 ， 但 导
无线通信领域 获得 了广泛的应用。随着通信技术
的发展 ， 天线 提 出 了小 型化 、 增 益 和 宽频 带 的 对 高
要求 ， 印刷天线 由于具有 较低 剖面 ， 易于和通信 系 统集成 ， 所以受到 了广泛的关注 。Ｑａ ｉ ｎ等人提 出了
印刷准八 木 天 线 ｊ由 于 采 用 了宽 带 平 衡 器 ， 得 ， 获
过金 属化 过孔 连接 ， 图 １ ｃ 所 示 。 如 （）
但是 实现较 为 困难 。
２ １ 年 ７ ４日收到 ０１ 月
第一作者 简介 ： 林
黑龙江省博士后 经费（ Ｂ － ９ ８ ） Ｌ Ｈ Ｚ １７ 资助 ０
澍 （９ ９ ） 辽 宁省丹东市人 ， 师 ， １７ ～ ， 讲 博士后 ，
致天线 不 易组成 阵 列 ， 而 限制 了它 的应 用 。文 献 从
１ 天线的设Βιβλιοθήκη 与仿真 １ １ 天线 结构 ．
C波段超材料基板高增益微带天线
０ 引 言
常用 的微 带天 线 是在 １个 薄介 质 基 片 上 ， 面 附 一
上金属 薄层作 为接 地 板 ， 另一 面 用 光 刻蚀 等 方 法做 出
一
Hale Waihona Puke 工 程应 用 。 Ｍｅ ｍ ｔｉ ｓ 为 一类 人 工 复 合 材 料 ， 年 来 成 ｔ ａ ｒｌ作 ａ ｅａ 近
为 电磁 领域 的一 个 研 究 热 点 ， 电磁 带 隙结 构 Ｊ 左 如 ，
定形 状 的金属辐 射 贴 片 ， 用 微 带 线或 同轴 探针 对 利
手 材 料 等 。在 电 磁 微 波 领 域 ， 其 是 天 线 方 面 ， 尤
Ｍ ｔ ｔ ｉ ｓ 广 阔 的应 用 前 景 ， 提 高 天 线 辐 射 效 ｅａ ｅ ａ 有 ｍａ ｒ ｌ 如
贴片馈 电 ， 就构 成 了微 带 天线 。微带 天 线 具有 体 这 积小 ， 重量轻 ， 面低 ， 与载 体 （ 飞行 器 ） 形 ， 剖 能 如 共 电
率 ， 高天线 增益 ， 提 改善 天 线 方 向性 ， 现 天线 小 型 化 实
Ｕｓｎｇ Ｎｅ ａ ｉ ｅ Ｐｅ ｍ ｅ ｂｉ ｔ ｅａ ａ ｅ ｉｌＳｕ ｓｒ ｔ ｉ ｇ ｔｖ ｒ ａ ｌ ｙ Ｍ ｔ ｍ ｔ ｒａ ｂ ｔａ ｅ ｉ
Ｊ ｎ ， ＨＡ Ｘｉｏｐ ｎ ＩＮｉｇ Ｚ Ｏ ａ －ｅ ｇ
（ ｅ ａ ｍ ｎ ｏ ｐ ｌ ｄＰ ｙｉ ，Ｎ ｒ ｗ ｓ ｒ ｏ ｔｃｎｃｌ ｎｖｒｉ ， Ｘ ｎ７ ０ ２ ，Ｃ ｉａ Ｄ ｐ ｒ ｅ ｔ ｆ ｐｉ ｈ ｓ ｓ ｏｔ ｅｔ Ｐ ｌ ｅｈ ｉ ｉ ｓｙ ｔ Ａ ｅ ｃ ｈ ｅ ｎ ｙ ａＵ ｅ ｔ ｉ １ １９ ｈｎ ） ａ
ｉ ｒ ｓ ｄ． Ｍ ｏｅ ｖ ｒ， ｃ ｍ ｐ ｒ ｄ ｏ ｔ ｅ ｃ ｎ ｅ ｔｏ ａ ｅｍｓｒｐ ａ ｔ ｎ ｎｃｅａ ｅ ｒｏ ｅ ｏ ａ ｅ ｔ ｈ ｏ ｖ ｎｉ ｎ ｌｍｉ ｔ ｎ ｅ ｎａ， ｔ ｅ ｇ ｉ ｆ ｐ ｏ ｏ ｅ ｍｉｒ ｓｒｐ ａ ｔ ｎ ａ ｉ ｎｈ ｎ ｅ ｙ ｉ ｈ ａｎ ｏ ｒｐ ｓ ｄ ｃ ｏ ｔｉ ｎ ｅ ｎ ｓ ｅ ａ ｃ ｄ ｂ
C波段高增益平板微带天线的设计
收稿日期: 2010- 03- 18; 修回日期: 2010- 06- 30
而且具有较 高的增 益和较 宽的频 带宽 度, 完全可 以代替宽带天线, 在需要高增益、要求宽带宽的场 合使用。
响, 因此也会影响微带天线的频带宽度和辐射效率。
对于在尺寸允许的条件下, W 要取 得稍大一些, 这 样对频带、效率以及阻抗匹配都有利。但是, 如果 W
的取值大于 W
=
c 2fr
(
r
+ 2
1) -
1 /2给出的值 时将产生
高次模, 从而引起场的畸变。由该式可知 W 总是取
小于 g /2的值, 该文所设计的频带为 4. 5GH z~ 5. 0GH z, 由此计算得出 W = 23 16mm。
在四元的基础上, 依次对 16元、64元微带天线 阵列进行了设计和测量, 最后扩展到 256元, 结构如 图 10所示。仿真 256元阵列天线方向图如图 11所 示; 256元阵列天线 E 面、H 面方向图如图 12所示; 256元阵列天线驻波比曲线图如图 13所示。对 256 单元微带阵列天线进行测试, 在 VSWR < 1. 6时, 带 宽 接近 18% , 满足设计的带宽要求。在通带范围的 平均增益值大约为 28. 1dB, 在 28dB ~ 29. 5dB 的范 围内, 达到设计要求。可见, 256元微带阵列天线就 是满足设计要求的 C波段高增益平板微带天线。
参考文献
[ 1] A u T M, T ong K F, Luk K M. Ana lys is o f o ffse t dua l
高增益微带天线阵列的设计
摘要作为应用系统中常选用的微带天线，虽然具有体积小、重量轻、剖面薄、等优点，但是在效率和方向性这些基本性能上，一般的单个微带天线很难做的很好。
而为了解决这个基本问题，将若干微带天线构成天线阵，就成为了常用的解决办法。
本论文根据远距离射频识别系统对天线的需求，设计了一种工作在2.45GHz频率下的微带天线阵，并对其结构进行了改良设计。
论文的主要工作是：首先，阐述了微带天线和天线阵列的基本理论，以及微带天线的基本设计步骤，综合天线阵元和匹配网络，馈电网络，设计出了一个由八个等幅同相馈电的阵元所组成的均匀直线阵列。
然后，使用高频仿真软件HFSS，对设计出的天线结构建模。
最后，根据对直线阵列的结构，性能的分析，提出了将八元直线阵列转变成两列四行的平面阵列，然后将平面阵列在仿真软件中重新建立模型。
通过对直线阵列和平面阵列的仿真结果可以得出结论：在相互间距略小于二分之一波长的情况下，直线阵列达到最佳辐射，方向性最好。
在最佳距离下，增加阵元可以使得天线的的最大增益提高，但是会出现更多的副瓣。
而平面阵列相比于直线阵，虽然在垂直于轴向的平面上出现了更多的副瓣，但是主瓣宽度得到了很大的压缩，得到了更好的方向性。
而平面阵带来的问题就是由于相互耦合变得严重，使得匹配程度的下降，结果就是效率的损失，和方向性增强一起作用的结果就是总体增益和直线阵相差不多。
但是由于平面阵主瓣宽度的变小，方向性的明显提高，平面阵更适合用于对方向敏感的工作环境。
关键词：微带天线；天线阵；高增益；HFSS；仿真ABSTRACTMicro-strip antenna is often chosen in applications. It has small size, light weight, thin profiles, etc. But as the basic properties, the efficiency and direction of one single micro-strip antenna are very difficult to do well. In order to solve this fundamental problem, pose a number of micro-strip antenna arrays, has become a common solution.In this paper, a micro-strip antenna array which works in 2.45GHz frequency is designed based on needs of long-range radio frequency identification and the structure design is improved.The works of this paper are below: First of all, it expatiate the micro-strip antenna and antenna array's basic theory and basic steps of design of micro-strip antenna. Based on the structure of the antenna array element and the matching network, the feed network, design an eight elements uniform linear array with the elements feed by same amplitude and phase circuits .Then ,use the high frequency simulation software HFSS ,model the structure of the designed antenna .Finally, based on analysis of the linear array structure and performance , put forward the eight elements linear array into a four lines two rows planar array and then model structure of the array in the simulation software.According the simulation results of linear array and planar array, these can be concluded: in the mutual spacing of slightly less than half wavelength, the linear array achieve the best radiation, the directivity is the best. Under this spacing, the maximum gain can be increased by increasing the number of the elements, but there will be more sidelines .Compared with linear array, the planar array compresses the main lobe width very much although get more side lobes in the plane perpendicular to the axial, and get a better directivity. Plane array brings problem that the mutual coupling become serious which brings the loss of efficiency. However, due to the narrow width of main lobe, improved directivity, the planar array is more suitable for the sensitive directional working environment.Key Words：Micros trip antenna; antenna array; high gain; HFSS; simulation目录1 绪论 (1)1.1 微带天线的发展及现状 (1)1.2 微带天线阵 (2)1.3设计目标 (3)2 微带天线的基本原理 (4)2.1 微带天线的基本原理 (4)2.2 微带天线的分析方法 (6)2.2.1传输线法 (6)2.2.2空腔理论 (8)2.2.3多端口网络模型 (9)2.2.4数值分析方法 (10)3 天线阵原理 (12)3.1二元阵与方向图乘积定理 (12)3.2均匀直线阵 (13)4微带天线阵列的设计 (16)4.1 阵元的设计 (16)4.1.1介质基板的选取 (16)4.1.2单元宽度的选取 (17)4.1.3单元长度的确定 (18)4.2馈电与匹配 (18)4.2.1馈电方式的选择 (18)4.2.2匹配网络的设计 (19)4.3阵列的设计 (20)5仿真分析 (23)5.1仿真使用软件 (23)5.2仿真过程 (23)5.2.1方向图 (24)5.2.2 S参数 (25)5.2.3增益特性 (26)5.2.4输入阻抗 (27)5.2.5直线阵的总结分析 (28)5.3平面阵的仿真 (28)5.3.1方向图 (29)5.3.2 S参数 (31)5.3.3增益 (31)5.3.4输入阻抗 (32)5.3.5 平面阵的总结分析 (32)结论 (34)参考文献 (35)致谢 (36)1 绪论1.1 微带天线的发展及现状天线作为天线作为无线通信不可缺少的一部分，其基本功能是辐射和接收无线电波，其性能的优劣对整个系统的性能有着重要的影响。
一种C波段的矩形微带天线设计
一种C波段的矩形微带天线设计朱彦军;杨硕【摘要】C波段(3.4～3.6 GHz)的频段作为5G初期部署的核心主力,满足了5G业务连续性、覆盖、用户移动性及容量等基本需求.同时,微带天线具有体积小、重量轻、制造工艺简单、易于共形等优点.为了满足C波段需求,充分发挥微带天线优势,设计了一种工作频率为3.5 GHz的矩形微带天线.利用HFSS15.()软件对该天线进行建模仿真,结果表明,该矩形微带天线的频率为3.5 GHz,回波损耗约为-29.8 dB,电压驻波比约为1.06,阻抗匹配良好,增益在3.15 dB左右,且微带天线尺寸较小,达到了C波段的矩形微带天线的设计要求.【期刊名称】《通信技术》【年(卷),期】2018(051)010【总页数】5页(P2516-2520)【关键词】矩形微带天线;天线设计;HFSS软件;仿真【作者】朱彦军;杨硕【作者单位】太原科技大学电子信息工程学院,山西太原030024;太原科技大学电子信息工程学院,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TN820 引言在通信系统中，微带天线具有体积小、重量轻、制造工艺简单、易于共形等优点。
微带天线已广泛应用于卫星通信、飞行器控制、医疗器械和个人通信等领域。
20世纪50年代初，Deschamps首次提到了微带天线这个概念，但是受当时技术条件的限制，微带天线并没得到实质应用[1-3]。
直到20世纪70年代，随着通信技术和材料技术的突破，对天线体积、重量、剖面、空气动力学等因素的要求进一步提高[4]，微带天线才逐渐走向应用[5]。
目前，在应用领域比较通用的微带天线大体上可以划分为三个类型——微带缝隙天线、微带行波天线和含有贴片的微带贴片天线[6-7]。
典型的微带天线结构是由很薄的金属片在极小的相邻间隔中贴在介质面上，介质面的另一面是接地面。
一般来说，微带天线的通常结构如图1所示，由介质基片、接地板和辐射元三部分组成[8]。
图1 矩形微带天线结构随着各国5G频段规划的相继出台，C波段3.4～3.6 GHz的频段也正式成为5G发展的先行军。
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58
空间电子技术
2010年第 4期
图 1 U _S lo t矩形贴片结构
U _S lot矩形贴片天线的优点显而易见, 但对于 阵列天线利用同轴线馈电方式进行馈电 会使设计 变的很复杂, 因此, 阵列天线利用同轴线 馈电是不 可取的。为 了克服 上述缺点, P ozar和 K au fm an 设 计了中心 频率 在 3. 4GH z的 单 层矩 形 贴片, 得 到 13% 的带宽 ( VSWR < 1. 6) 。该单层矩形贴片是由 单线结构连接馈电方式进行馈电的, 需要考虑阻 抗匹配问题。这种 方式 虽然比 同轴 线馈 电简单, 但对于多元的大型阵列天线来说, 阻抗匹配问题 便会异常复杂。 Luk 和 L ee提 出了一 种方法 来解 决, 即使用新颖的 结构。这种 结构连接 在微 带天线馈电 线的末 端。通 过实验, 中心频 率为 4. 3GH z时, 能够得到 20% 的带宽 ( VSWR < 1. 6) , 在 通带范围内, 得到 7. 5dB 的增益和 - 20dB 的交叉 极化 [ 4] 。 结构的引入不仅 保持了 U _slo t贴片天 线的高增益、宽频带的 特点, 而且使得阵 列天线的 设计大大简化。这种近邻耦合的 U _S lot矩形贴片 天线如图 2所示。
61
图 13 256元阵列天线驻波比曲线图
3 结论
文章论述了 C 波段高增益平板微带天线的设 计方法, 对于研制的 256元微带阵列天线, 从实际测 试数据看, 测量结果与仿真结果基本一致, 说明该文 的设计方法具有应用价值, 并对进一步提高微带天 线的增益提供了重要的参考价值。该文并未对阵列 天线单元间的互耦情况、阵列天线损耗等进行说明, 这部分内容是下一步工作的重点, 需要进一步的分 析和讨论。
patch m ic ro str ip antenna [ J]. IEE P roc. M icrow. A n tenna P ropag. , 1994, 141 ( 6): 523~ 526 [ 2] H uynh T, L ee K F. S ingle laye r sing le pa tch w ideband m icro str ip antenna[ J]. E lectron. Le tt. , 1995, 31 ( 16): 1310~ 1312 [ 3] Lee K F, L uck K M, T ong K F, et a.l Exper im ental and simu la tion studies of the coax ia lly fed U _S lo t rectangu la r antenna [ J ]. IEE Proc. M icrow. An tennas P ropag. , 1997, 144 ( 5): 354~ 358. [ 4] M ak C L, Luk K M, L ee K F. Prox im ity coup led U _Slot patch antenna[ J]. E lectron. Le tt. 1998, 34 ( 8): 657~ 65 9
作者简介 孟玮 1982年生, 硕士研究生, 助教, 毕业于河 北大学, 现在军械工程学院任教。主要从事测控技 术研究。 杜平 1982 年生, 硕士研究生, 毕业 于河北大 学, 工程师, 现在北京握奇数据系统有限公司工作。 主要从事智能卡开发。 李爱华 1982年生, 硕士研究生, 助教, 毕业于 河北科技大学, 现在军械工程学院任教。主要从事 无损检测技术研究。
图 3 U _S lo t矩形贴片
1. 3 结构的设计 根据传输线与馈电理论, 通过 H FSS 软件仿真
并进行实际测量, 得到实际 结构的形式及尺寸, 如图 4所示。
由于馈电结构必然存在阻抗匹配问题, 经过大 量的试验测量, 结构在某一个位置 S 的时候达到 最佳的阻抗匹配, 结构的最佳位置 S 的选取示意 如图 5所示。
针对以上方法的缺陷, 文章首次提出采用微 带 U _Slot矩形 贴片天线 作为天线 元, 近邻耦 合的 馈电方式进行馈电, 通过增加单元数目来设计 256 元微带阵列天线, 使天 线的尺寸和体积大大减小,
收稿日期: 2010- 03- 18; 修回日期: 2010- 06- 30
而且具有较 高的增 益和较 宽的频 带宽 度, 完全可 以代替宽带天线, 在需要高增益、要求宽带宽的场 合使用。
单元 贴片 长 度 L 的 取 值 应该 比 半 个 波 长稍
小。这是因为 在实际 中, 辐 射端 电力 线会 产生变 形, 等效为一 定的分 布电容。分 布电 容在 传输线
理论中 等 效为 一段 传输 线长 度 !l。因此 在 设计
中, 应该从理论上的 半波长 g /2 减去 两端的 !l,
得到实际长度为 L = g /2- 2!l或者 L = c 2fr e
参考文献
[ 1] A u T M, T ong K F, Luk K M. Ana lys is o f o ffse t dua l
60
空间电子技术
2010年第 4期
图 8 四单元 U _S lo t矩形贴片微带天线的馈电网络图
图 9 四单元微带阵列天线增益曲线图
图 11 256元阵列天线方向图
图 10 256元微带阵列天线馈电网络
图 12 256元阵列天线 E面、H 面方向图
2010年第 4期
孟玮 等: C 波段高增益平板微带天线的设计
空间电子技术
2010年第 4期
SPACE ELECTRON IC TECHNOLOGY
57
C 波段高增益平板微带天线的设计
孟玮 1 杜平2 李爱华1
( 1 军械工程学院电气工程系, 石家庄 050000; 2. 握奇数据系统有限公司, 北京 )
摘 要 文章以微带天线的基本电磁场理论为依据, 对微带天线的结构进行了深入的研究。 通过建模仿真, 设计频带为 4. 5GH z~ 5. 0GH z的天线, 要求在该频段天线的驻波比 VSWR < 1. 6, 平 均增益为 28~ 29. 5dB。在设计中采用微带 U _S lot矩形贴片作为单元, 引入 结构, 采用近邻耦合 方式进行馈电, 组成天线阵列来实现。设计结果通过实验室提供的天线测量设备进行测试, 软件仿 真结果与实际测量结果有较好的一致性。
关键词 微带天线 天线阵列 U _S lot矩形贴片 结构
0 引言
普通的微带天线是一种谐振天线, 相对带宽较 窄, 常规设计带宽一般不到 3% ; 随着其工作频率的 降低, 带宽逐渐减小且损耗较大, 因此效率较低; 单 个微带天线的功率也较小, 介质基片对性能影响较 大。
微带平板阵列天线以平板低剖面结构、易共性、 质量轻、成本低、效率高等优点受到广泛关注, 其在 无线通信、雷达、遥感、电子对抗等众多领域获得了 广泛应用。微带平板阵列天线由馈源和微带贴片单 元构成的阵面组成, 可以通过调节贴片单元的结构 和馈电方式实现高增益、宽频带。目前, 普遍使用的 展宽天线频带的方法, 如增加寄生贴片, 虽然对频带 有了一定程度的展宽, 但存在天线尺寸增大、结构复 杂、分析和制作困难等不利因素; 传统的馈电方式, 如同轴线馈电等, 不利于阵列天线的设计。
16mm 时, 带宽 BW 18% 。微带天线在 4. 5GH z ~ 5. 0GH z时增益 的曲 线图 如图 6所 示。由曲 线 图可以看出, 微带天线在通带内的平均增益值为 7. 5dB, 符合 设计 要求; 单 元天线 的方 向图 如图 7 所示。
图 6 增益曲线图
2. 1 设计要求 微带阵列天线设计指标如下: 天线工作在 C 波
1 天线单元的设计
1. 1 设计思想概述 平板微带天线特性优良, 但微带天线的频带宽
度很窄, 使应用受到了限制。提高微带天线带宽的 方法很多, 但是都存在一定的缺陷。比较常用的方 法是使用寄生贴片, 寄生天线的共面几何结构会增 加天线的侧面尺寸, 多层几何结构会增加天线的厚 度 [ 1] , 这些对于天线是不利的。为了解决这些不足 之处, 天线研究者进行了大量的研究, 例如改变天线 结构, 在微带贴片上开各种形状 的缝隙等。H uynh 和 L ee提出了一种 U _Slot矩形贴片天线, 该设计采 用中间开有 U形槽的矩形贴片作为辐射单元, 结构 如图 1所示, 应用同轴线方式馈电, 可 以得到 30% 的带宽 [ 2] 。经过大量的分析和研究, 微带 U _S lot矩 形贴片天线显 示出了较好的宽频 特性 [ 3] 。较 之其 他在微带贴片上开各种形状缝隙的做法, U _S lo t矩 形贴片天线不仅制作工艺相对简单, 更重要的是在 获得高增益的同时还能实现宽带宽, 是其他实现所 不能达到的。
馈电网络采用传统的二等功分器。通过实际测 量四单元微带阵列馈电网络的详 细尺寸如图 8 所 示。图 9是四单元微带阵列天线增益的曲线图, 图 中对单片微带天线和四元微带阵列天线的增益曲线 图进行了对比, 四单元的增益在通带内的平均增益 值近似为 12dB, 比单片微带天线的增益有了明显的 提高。 2. 3 256元微带阵列天线设计与测量
在四元的基础上, 依次对 16元、64元微带天线 阵列进行了设计和测量, 最后扩展到 256元, 结构如 图 10所示。仿真 256元阵列天线方向图如图 11所 示; 256元阵列天线 E 面、H 面方向图如图 12所示; 256元阵列天线驻波比曲线图如图 13所示。对 256 单元微带阵列天线进行测试, 在 VSWR < 1. 6时, 带 宽 接近 18% , 满足设计的带宽要求。在通带范围的 平均增益值大约为 28. 1dB, 在 28dB ~ 29. 5dB 的范 围内, 达到设计要求。可见, 256元微带阵列天线就 是满足设计要求的 C波段高增益平板微带天线。