Ku波段微带天线的仿真技术研究

摘要：本文设计的天线是四层的微带板结构，在接地板的两侧分别是辐射贴片和馈线。本文设计了一个工作在Ku波段微带单元天线。该天线做出均匀的直线阵列结构，由八个等幅同相馈电的阵元原件组成。通过高频仿真软件HFSS，实现了对微带天线的仿真测试和研究，设计了可在14GHz～18GHz的Ku波段的正常工作微带天线。

关键词：微带线 微带天线阵 仿真 馈电电路

中图分类号：TN822 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）04-0109-01

微带天线是1970年以后发现的一新型天线，后来微带传输线理论不断完善，应用于介质基片的光刻技术不断成熟，真正的微带天线才出来。和常用的微波天线相比，有体积小、重量较轻、电性能形式丰富、集成方便等特点，被广泛应用于导航通信等多个领域。

1 微带天线的设计

1.1 天线的结构设计

本文设计的天线是四层的微带板结构，在接地板的两侧分别是辐射贴片和馈线。从而使得寄生辐射得以消除，同时天线上半部分辐射方向上产生的干扰得以消除。另外，还可分别对辐射贴片和馈电网络进行优化。

将相互正交的微带线组合构成馈线，并用介质板置于两路馈线的中间，介质板的用厚度要注意设计得远小于波长，另外为了增强馈线和辐射贴片的耦合度，实现双线极化，通常选用中心正馈方式；十字形耦合缝隙被设置于辐射贴片的正下方，在确保阻抗匹配的条件下，应该将缝尽量控制到最小，从而尽量减少来自于缝隙辐射带来的后向辐射；为了拓展频带应该使用层叠结构的辐射贴片。为了使得天线的交叉极化电平降低、天线增益提升，在整个天线结构上，应该尽量确保缝隙、馈线和天线的对称。

1.2 阵元的设计

为了设计出宽频带、高隔离度和高增益的微带天线，应该从天线几何形状的选择着手。本文从常用的矩形和圆形贴片中进行比较选择，最终选定了由矩形贴片天线阵元来作为微带线的阵元。根据Ku波段的频率要求，通过相关公式计算可以求出相对介电常数以及基板的厚度等参数，从而完成对介质基板的选取；然后在此基础上可计算出单元的宽度和长度。

1.3 馈电与匹配

微带天线的馈电包括侧馈和背馈两种，其中侧馈是通过微带线馈电，而背馈则是指通过同轴线馈电。两种馈电方式在同频工作状态下，背馈所需的面积相对较小，无需进行阻抗变换，只需通过对馈电点和非辐射边距离的调节来实现；侧馈则不然，必须进行专门的阻抗变换电路来实现。因此，在独立应用的天线中，选用背馈方式设计的矩形微带天线居多。但是，如果要设计微带天线阵，则需要采用侧馈。在设计天线时，为了简化贴片层结构，设计了天线阵结构的微带线，因此馈电方式只好选择侧馈方式。

阻抗匹配方面，为了消除微带线的电抗性，可以通过先串联特性阻抗为50Ω的一段微带线，再并联特性阻抗为50Ω的开路微带线来实现。

根据以上的设计要求，将8个阵元原价组成了如图1所示的八元阵列的天线阵，设阵元间的初始行间距为半个波长。

2 仿真分析

本文采用的仿真软件是Ansoft公司的HFSS软件。为了得到辐射性能最优的微带天线，需要对在上一节规定的天线单元和匹配网络的基础上，对天线阵的行间距和列间距进行反复的斟酌，旨在通过仿真找到最合适的行间距和列间距。

（1）方向仿真。天线方向仿真，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的特性仿真，通过仿真可以发现Z方向为天线阵的主要辐射方向，能量大都集中在这个方向。理论上，垂直于贴片表面方向也即最大的辐射方向，可见理论和仿真得到的结果一致。另一方面，由于八元阵列结构采用了等幅同相馈电方式，是的辐射在Y方向上最小，在Z方向上最大。

（2）增益特性。天线的增益是指天线在最大辐射方向上的增益系数，是表征功率集中辐射能力的参数。增益越大则在对应方向上的能量则越集中。通过对天线的增益仿真可以发现天线阵的最大增益点在方向上。可以看到该增益点和Z方向有部分偏差，仔细分析不难得出，这部分相位差是因为天线中所加的匹配网络也产生了辐射的原因。

综上，多元阵列在提升增益方面确实有一定的效果，但是本文中设计的8元均匀直线阵列在距离合适的情况下，可以使得增益超过20dB，但是当超过4分之一波长是，则会出现大量的副瓣，影响方向性。另外，由于多元阵会导致空间波程差增大，这样会存在多个辐射场极值点（多个波瓣），并且阵元的数量和波瓣数量成正比。因此主方向增益增强的同时，波瓣的增多将使得天线辐射的控制性能下降，导致整个天线的整体性能下降。

3 结语

本文对微带天线阵元的研究，设计出了一种比较经济实用的宽频带KU段微带线。并借助于仿真软件HFSS，实现了对所设计微带线的功能仿真设计。

参考文献

[1]牛俊伟.宽频带和共形印刷天线的研究[D].上海：上海大学，2004.

[2]包秀龙，孙晓玮.EBG结构在35GHz微带阵列天线中应用[J].微波学报，2005，2l（3）.