一种用于Ku波段通信的双极化微带贴片天线的单元设计

一种用于Ku波段通信的双极化微带贴片天线的单元设计徐俊珺;姜兴;李思敏
【摘要】运用口径耦合的馈电方式及叠层贴片形式设计出一种新型的用于Ku波段通信的双极化微带贴片天线.给出单元天线的结构及设计方法,同时探讨了各项参数对天线性能的影响.测试结果表明,单元天线端口驻波比小于2(VSWR<2)的相对带宽达到20.5%和23.7%,单元的极化隔离度低于-36.5 dB,理论计算结果与实测值一致.
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2006(029)020
【总页数】3页(P136-138)
【关键词】Ku波段;双极化;口径耦合馈电;微带天线
【作者】徐俊珺;姜兴;李思敏
【作者单位】桂林电子工业学院,广西,桂林,541004;桂林电子工业学院,广西,桂林,541004;桂林电子工业学院,广西,桂林,541004
【正文语种】中文
【中图分类】TN82
微带天线由于具有体积小、重量轻、低剖面、易于加工以及与有源器件及电路集成等诸多优点，在通信、雷达等领域得到广泛的应用。

目前在Ku波段卫星通信及散射通信系统中，使用微带天线以取代传统的抛物面天线和单层径向线缝隙平面天线
(SL-RLSA)[1]，目的主要有2个，一是减小天线在系统中的空间占有体积，实现天线的小型化；二是利用微带天线的低旁瓣特性，进一步地提升系统的抗干扰性能。

本文给出一种新型的用于Ku波段通信的双极化微带贴片单元的设计。

作为双极化微带阵列天线应用之一的Ku波段的微带贴片阵列单元，在卫星通信、车载雷达通信和散射通信等领域具有巨大的应用潜力，并将逐渐成为卫星通信中的主流天线，具有巨大的民用和军用价值。

1 天线的单元结构设计及其特性
天线单元主要由三层介质板构成，如图1所示。

上层贴片倒置于第一层介质板，
下层贴片被刻制在第二层介质板的上层。

上、下两层贴片分别为寄生辐射元和馈电辐射元。

由于他们的存在，电路中形成了2个谐振回路，使其具有2个谐振频率，这类似于电路理论中的参差调谐的紧耦合回路原理。

当贴片设计得当，两个谐振频率适当接近，可以形成双峰谐振回路以展宽频带。

两层介质板中间用空气层间隔开来，这相当于将上层介质板的厚度增加到原厚度与空气间隙的和，因此降低了介质板的平均相对介电常数，即降低了该微带天线的Q值，从而达到了增大频带宽度
的目的，同时也有助于提高天线的增益。

接地板和馈电线路分别位于第三层介质板的上、下层。

馈线通过在接地板上的矩形耦合槽以激励微带贴片进行馈电。

图1 缝隙耦合馈电的双层微带天线结构
馈线的终端是开路微带线，通过改变缝隙的尺寸以及终端微带馈线的宽度来改善天线的阻抗匹配特性。

这种层式结构允许馈电网络集成在高介电常数的介质基片上，而贴片则集成在低介电常数的介质基片上，利用高介电常数的馈电基片可以降低馈电电路的尺寸；同时采用介电常数较低的贴片基片，能够获得更好的辐射效率和更宽的带宽。

本天线采用正方形微带贴片，因此可以作为单、双极化天线的阵元，因为正方形微带贴片具有良好的极化辐射对称性且易于加工制造。

另外，通过两个端口在不同层上的正交馈电实现了双极化辐射。

这种天线单元本身可以作为阵元进行阵列集成，他具有口径耦合微带贴片天线的所有优点。

馈电网络和辐射贴片间通过接地板隔离开了，因此减小了馈线的寄生辐射对贴片单元方向图的干扰。

我们定义下层口径耦合馈电端口为一端口，上层微带线馈电端口为二端口，两个端口分别位于正方形的相邻两边，形成90°相位差以实现双极化馈电。

后文中的仿真结果和实测结果的各项参数均以一、二端口表示。

口径耦合馈电的多层微带天线结构较复杂，因此给设计者带来更多的自由度，但同时他也更难于设计及加工装配[2]。

2 天线单元的设计及结果分析
如图1所示的天线结构，在设计天线尺寸时综合各方面因数我们选用两种介质板
来实现。

由于要求的微带天线工作中心频率为13 GHz，天线在空气中的波长约
23 mm，选取材料如下：介质板1，2：εr =2.2，h=1.016 mm，PTFE；介质板3：εr =3.38，h=0.762 mm，陶瓷碳氢混合物；金属层厚度：h=0.035 mm。

在对天线单元参数进行分析之前，带入经验公式进行计算，确定天线的初始尺寸[3，4]。

上层正方形贴片边长为a=7.2 mm，下层贴片边长为6.8 mm，二端口的馈线宽度为2.0 mm；空气层的高度我们选为1.6 mm，谐振频率主要是由上、下层贴片的尺寸来决定的，但空气层的高度对天线的两个谐振频率点也略有影响。

随着空气层的高度增加，在贴片尺寸及各项指标不变的情况下，谐振频率将向下偏移(低
于设计的谐振频率)；在正方形贴片正下方嵌入一个带有矩形耦合缝隙的接地平面，矩形缝隙宽度为0.25 mm，缝隙的长度为7.1 mm；下层微带馈线的宽度为0.8 mm。

通过适当地调节贴片间的空气层高度以及调整缝隙的宽度和位置，使天线的输入阻抗虚部Im[Z] 在天线的频带范围内接近于0，天线的输入阻抗实部Re[Z]在频带范围附近比较平坦，使天线的阻抗变化在频带范围内相对于频率的变化不是很敏感，
因而天线能达到阻抗带宽的要求。

使天线能得到良好的阻抗匹配。

如图2，3即为通过软件仿真、优化后，端口输入阻抗值的最佳值。

端口的输出阻抗实部在频带范围内在105～166 Ω之间，虚部接近于0。

从2个端口的反射系数曲线及VSWR曲线上也可以很明显地看到2个谐振频率，分别在11.44 GHz和14.5 GHz左右，驻波比小于2的范围较宽，约为3.1 GHz，满足了设计要求。

图2 两个端口输入阻抗的实部值的变化曲线
图3 两个端口输入阻抗的虚部值的变化曲线
图4 两个端口的反射系数曲线
图6为天线单元2个输入端口之间的隔离度曲线，在频带范围内端口隔离度低于-36 dB。

在上述设计基础上，依据软件仿真优化后的尺寸制作了实物天线。

采用HPN5230A矢量网络分析仪测试天线的端口反射系数进行测试。

图8，9给
出天线2个输入端口的实测结果，从图中可以看出，反射系数的波形与仿真结果
的波形趋势基本吻合。

图5 两个端口的系数VSWR曲线
图6 两个端口的极化隔离度在频带范围内的变化曲线
图7 加工制作的天线实物及天线夹具
图8 实测一端口的反射系数曲线
从以上仿真结果可以看出，天线2个端口的反射系数均呈现双峰谐振频点，一端口：第一谐振点(低)fL=11.717 GHz，第二谐振点(高)fH=14.38 GHz，频带宽度
为20.5%；二端口：第一谐振点(低)fL=11.424 GHz，第二谐振点(高)fH=14.509 GHz，频带宽度为23.7%，均满足系统对天线工作频带设计的要求(中心频率在13 GHz，天线阻抗带宽为12～14 GHz)。

图9 实测二端口的反射系数曲线
由于实验条件有限，SMA接头的装配带来的误差以及测量本身存在的误差，对实
验结果造成一些影响，使仿真结果与实测有一定的偏差。

从测试的波形上看，波形趋势与仿真结果基本一致，从而验证了理论设计的正确性。

3 结语
本文基于设计一个工作在中心频率13 GHz，天线带宽为12～14 GHz的用于Ku
波段通信的双极化微带贴片天线。

天线采用口径耦合的馈电方式及叠层贴片形式来拓宽频带宽度。

研究了此种天线的特性，并对其进行了实验验证，实测和数值仿真结果吻合一致，双端口的阻抗带宽均大于20%，较传统的微带天线而言，带宽得
到了大幅度提高。

随着卫星通信、毫米波雷达以及移动通信的蓬勃发展，微带宽频带平面天线技术的研究将成为今后天线研究中的热点之一。

当今的天线技术，正朝着宽频带、小型化发展，由于口径耦合的馈电方式，无论是作为单元贴片微带天线，还是作为阵列天线单元组阵，都将作为微带天线双极化天线展宽频带提供一种思路。

参考文献
[1] 李鹏程.小口径高增益Ku波段平面天线[J].遥感遥测,1999,20(2):27-30.
[2] Xia J,Tan S H，Arichandran K.Dual Aperture-coupled Microstrip Patch Antenna with Two Superstrate Layers for Use in Microstaellite
Systems[J].Microwave and Optical Technology Letter,1999,20(4):282-284. [3] Raphael Kastner Heyman E,Sabban A.Spectral Domain Iterative Analysis of Single-and Double-Layered Microstri PAntennas Using the Conjugate Gradient Algorithm.IEEE Trans.Antenna Propagat.,1988，AP-36：1 204-1 212.
[4] Luk K M，Au T M，Tong K F,et al.Aperture-coupled Multilayer Microstrip Antenna,Advances in Microstrip and Printed Antennas[M].John
Wiley & Sons,Inc.,1997.。