微带天线的基本理论和分析方法

目录

摘要................................................................ 2 Abstract............................................................ 3 1 绪论.............................................................. 4

1.1研究背景及意义............................................... 4 1.2国内外发展概况............................................... 5 1.3本文的主要工作............................................... 6 2 微带天线的基本理论和分析方法...................................... 7

2.1 微带天线的辐射机理 .......................................... 7 2.2微带天线的分析方法........................................... 8

2.2.1传输线模型理论 ......................................... 9 2.2.2 全波分析理论.......................................... 11 2.3微带天线的馈电方式.......................................... 12

2.3.1微带线馈电 ............................................ 12 2.3.2同轴线馈电 ............................................ 12 2.3.3口径（缝隙）耦合馈电 .................................. 13 2.4本章小结.................................................... 13 3宽带双频双极化微带天线单元的设计 ................................. 14

3.1天线单元的结构.............................................. 14 3.2天线单元的设计.............................................. 15

3.2.1介质基片的选择 ........................................ 16 3.2.2天线单元各参数的确定 .................................. 16 3.3天线单元的仿真结果 ......................................... 17 3.4本章小结.................................................... 18 4 结束语........................................................... 19 参考文献........................................................... 20 致谢............................................................... 22

ku波段双频微带天线的设计

摘要

本文的主要工作是Ku波段宽带双频双极化微带天线研究。在微带天线的基本理论和分析方法的基础上，对微带天线的技术进行了深入的研究，设计了3种不同结构的Ku波段宽带双频微带天线单元，并完成了实验验证。依据传输线模型理论并结合软件仿真分析了3种不同结构的天线单元在天线的带宽、隔离度和增益等性能方面的差异，并作了比较，得出了性能最佳的一种天线单元结构形式。最后，对全文的研究工作加以总结，并提出本文进一步的研究设想。 关键词：Ku波段；双频；传输线模型；微带天线

Abstract

In this paper, broadband dual-frequency and dual-polarized microstrip antenna at Ku band is described. Three kind s o f wideband dual-frequency and dual-polarized microstrip antenna element are proposed and their experimental verifications are completed which based o n the classical theory and a deeper stud y on broadband, dual-frequency and dual-polarization technique of microstrip antenna. From the transmission-line mode theory and simulative results, he bandwidth, isolation and gain characteristics of a microstrip patch element with various structures are analyzed in detail and compared, and an antenna element with the best performance is adopted. Based on the element described, four-element linear array and planar array is designed which adopted anti-phase feeding and dislocation anti-phase feeding technique, respectively. In addition, the technique of anti-phase feeding which suppress

cross-polarized is further studied by using the even/odd theoretical analysis. Finally, we summarize the research of the paper with an outlook for the further researches. Key words: Ku band; dual-frequency; dual-polarized; microstrip antenna

1 绪论

1.1研究背景及意义

近年来，随着卫星通信技术的发展和卫星通信业务及卫星移动通信的迅猛增长，以往的微波较低频段(300MHz-10GHz)已经变得拥挤不堪，因此卫星通信中开始使用Ku波段甚至Ka波段的通信以满足大信息量的需求。目前，广泛用于Ku波段的通信天线主要是抛物面天线，然而这种传统的天线体积大、重量沉、造价高而且调整困难。由于物理空间的限制，这种抛物面天线体积过大不能满足某些天线的技术要求，因此天线的小型化迫在眉睫。在某些特殊应用的领域如移动通信方面，要求天线具有隐蔽性好、机动性强的特点，而这种传统的天线尺寸大、机动性差、难与载体共形、容易暴露目标，已不再适应现代卫星通信系统的需求。现代的卫星通信系统对天线提出了更高的要求，不仅要求天线小型化、重量轻、具有良好的隐蔽性和机动性，同时为了满足大容量通信的需求，要求天线具有双极化、多频性及宽带特性。微带天线以其体积小、重量轻、低剖面、成本低、易与有源器件集成、能与载体共形、易实现双频、极化形式多样性等优点在卫星通信领域备受亲睐[1][2]。传统的卫星通信天线只工作在单一的某个频段内，单一的频段不能实现收发共用。未来的卫星通信需要收发共用一付天线，以处理同步进行接收与发射的两个分离频段的信号，满足多个系统的通信要求，实现多系统共用和收发共用。这需要天线能够实现双频工作，而微带天线易于实现双频或多频工作，能够解决这些问题。因此微带天线的双频或多频技术亦成为重要的研究课题之一。在卫星通信系统中，目标的反射特性、电磁波的传播和信号的接收性能均与波的极化形式有关。天线极化匹配良好与否，系统的效果迥然不同。传统的卫星通信天线很难实现双极化工作，效能概率低，已不再适应现代和未来的卫星通信天线的要求。为了适应卫星通信系统的不断升级，满足大容量通信的需求，有效解决路径衰落问题，减少天线数量、降低天线成本，实现频率复用、极化分集、极化捷变特性，要求天线能实现双极化工作。微带天线易实现双极化或多极化工作，能有效解决上述问题。

宽带双频双极化微带天线集合了微带天线、双频天线和双极化天线各自的优点，不仅大大提高了天线的各方面性能，而且在很大程度上降低了天线的成本。随着卫星通信技术的发展，对Ku波段宽带双频双极化微带天线的研究就变得十分迫切，同时对我国在新一代卫星通信系统中占据国际有利位置具有重要作用。该项目不仅具有广阔的经济前景，而且对保证国家安全也意义深远。

1.2国内外发展概况

近年来微带天线倍受重视，由于微带天线为平面结构的谐振式天线，因此它具有平面型、小型化的特点。但其工作频带较窄，一般矩形贴片天线的带宽只有5%。因此，如何展宽微带天线的阻抗带宽具有十分重要的实际意义。CamNguyen等人提出采用不同材料的介质基片、天线加载、采用多层贴片、口径耦合等方式有效地降低了天线的Q值，展宽了频带[3-6]。双频或多频天线能实现收发一体化的要求，D.M.Pozar和K-L Wong教授等提出采用同一贴片，通过加载或者开缝的方法改变贴片各种自然模的场分布，进而使谐振频率受到干扰，最终实现双频工作[7-11]。Zhang-Fa Liu等人提出利用多层贴片结构形成多个谐振器，产生双频或多频段工作特性[12][13]。双极化天线在频率复用、实现大容量通信、收发一体化、极化分集、极化捷变等领域得到了广泛的应用。对于层叠式结构的微带天线，S.Gao、Wansuk Yun和S.Kwon等人采用在接地板上开正交“H”型、“十”型、“T”型等缝隙的方式实现了双极化工作[14-17]。Ku波段宽带双频双极化微带天线一方面要求天线具有双频特性，且每个频带又要求宽带工作；另一方面要求天线具有双线性极化辐射特性，而且要求具有较高的隔离度和较低的交叉极化电平。因此，Ku波段宽带双频双极化微带天线虽然体积小，但由于要求微带天线同时实现宽频带、双极化、双频特性，具有一定的难度。

在国内，对微带天线的双频双极化技术的研究在引进、消化和吸收外国先进技术的基础上，做了不少自主性的工作。尽管我国的通信技术在近年取得了长足的发展与进步，然而天线的关键技术和产品，主要为国外大公司所拥有，尤其是双频双极化微带天线技术，基本上大部分被国外公司和研究机构所垄断。目前国内对微带天线的双频双极化技术的研究也主要集中在L波段、S波段、C波段和X波段，研究的单位主要有西安电子科技大学、上海大学、国防科技大学和电子科技大学等高校。这些高校对国外相关双频双极化微带天线技术进行了充分的研究，作了不少改进，并开发出了一些具有自主知识产权的天线。如：上海大学的X.Qu和S.S.Zhong等设计了一种用于星载SAR的S/X波段双极化天线阵[18]，在S波段和X波段分别取得了8.9%和17%（VSWR≤2）的相对阻抗带宽。西安电子科技大学的潘雪明、焦永昌等设计了一种槽耦合的双频双极化天线单元[19]，在880MHz～960MHz的GSM频段和1710MHz～1880MHz的DCS频段上取得的反射损耗均大于10dB。国防科技大学的蔡明娟、刘克诚等提出了一种新型的双频双极化共口径微带天线[20]，天线工作的中心频率分别为2.1GHz(L波段)和8.6GHz(X波段),并用时域有限差分法对微带单元进行了模拟分析。西安电子科技大学的朱艳玲和焦永昌等设计了一种共口径双频双圆极化微带天线[21]，通过工作于主模和高次模的两辐射贴片嵌套实现了双频双圆极化辐射的要求。但是，根据查阅相关数

据库的结果，国内对Ku波段宽带双频双极化微带天线的研究刚刚起步，目前还没有相关的文献报道。国外提出的Ku波段双频双极化天线，都采用多层贴片结构有效地展宽了工作频带，但采用多层贴片增加了天线的成本；两种极化的馈电网络都分布在不同的介质层上，使实现双极化的馈电方式更加复杂且匹配困难，这给天线的调试带来一定的难度。这些天线的缺点限制了微带天线在卫星通信领域的应用潜力。为了适应未来卫星通信系统不断升级的要求，研究结构简单、成本低的宽带双频双极化微带天线迫在眉睫。

1.3本文的主要工作

第一章：绪论。首先介绍了本文的研究背景、意义，其次重点介绍了国内外发展概况及本文的研究内容，最后介绍了本文的结构安排。

第二章：微带天线的基本理论和分析方法。主要介绍了微带天线的辐射机理，微带天线的分析方法，重点介绍了利用经典的传输线模型理论来分析口径耦合微带天线的方法。最后介绍了微带天线常用的馈电方式。

第三章：宽带双频双极化微带天线单元的设计。主要介绍了实现宽带双频双极化特性的天线单元结构，重点介绍了微带天线单元的设计方法，最后给出了天线单元的仿真结果，并对天线单元进行了比较。

第四章：结束语。对全文的工作加以总结，并提出本文进一步的研究设想。

2 微带天线的基本理论和分析方法

微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。它利用微带线或同轴探针等对导体贴片进行馈电，在导体贴片与接地板之间激励起高频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此，微带天线也可看作为一种缝隙天线。1972年，芒森和豪威尔等研制成功了第一批实用的微带天线，之后随着基片光刻技术和各种低损耗介质材料的出现，微带天线得到了迅速的发展。至今，如手机、LAN、蓝牙、卫星通讯、散射通信、多普勒雷达、无线指挥和导弹遥测遥控、便携装置、环境检测仪表和遥感、电子对抗、武器引信、医用微波辐射计等领域己经广泛应用到了微带天线。

11双负媒质已经成为当今电磁学领域，光电子学领域和材料学等领域研究的热点课题之一。基于双负媒质奇特的性质和研究价值，揭示双负媒质的物理本质和规律是极其有必要和价值的。对双负媒质展开基础性的研究、揭露其基本性质能极大拓展与深化人们对客观世界的认识。双负媒质的应用必将对未来科学技术、经济社会的发展产生极其重大影响。随着技术和经济的发展，在目标探测和目标识别中对信号的信带宽度提出了更高的要求，只有更宽的信带才能携带更多的而且丰富的目标信息，因此宽带计算和快速算法更有必要被提出。利用宽带快速算法对双负媒质散射体快速计算更有必要而且有极其重要的意义。

2.1 微带天线的辐射机理

首先来讨论微带天线的辐射机理。微带天线的辐射机理，可通过矩形微带贴片来说明。如图2-1(a)所示，贴片尺寸为a?b，介质基片厚度为h，h???0，?0为自由空间波长。微带贴片可看作为宽为a长为b的一段微带传输线，其终端(a边)处因为呈现开路，将形成电压波腹。一般取b??m/2,?m为微带线上波长。于是另一端(a边)处也呈电压波腹。此时贴片与接地板间的电场分布如图2.1(b)所示。该电场可近似表达为(设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化)。

Ex?E0cos(?y/b) (2-1-1)

天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。由等效性原理知，窄缝上电场的辐射可由面磁流的辐射来等效。等效的面磁流密度为：

Ms??n?E (2-1-2)

^

图2-1 矩形微带天线示意图

式中，E?xEx ，x是x方向单位矢量；n是缝隙表面(辐射口径)的外法线方向单位矢量。这些等效磁流的方向已在图2-1上用虚线标出。可以看到，沿两条a边的磁流是同向的，故其辐射场在贴片法线方向(x轴)同相相加，呈最大值，且随偏离此方向的角度的增大而减小，形成边射方向图。沿每条b边的磁流都由反对称的两个部分构成，它们在xz面上各处的辐射互相抵消；而两条b边的磁流又彼此呈反对称分布，因而在xy面上各处，它们的场也都相消。在其它平面上这些磁流的辐射不会完全相消，但与沿两条a边的辐射相比都相当弱。由以上分析可知，矩形微带天线的辐射主要由沿两条a边的缝隙产生，该两边称为辐射边。由于接地板的存在,天线主要向上半空间辐射。对上半空间而言，接地板的效应近似等效于引入磁流Ms的正镜像。由于h???0，因此它只相当于将磁流Ms加倍，而辐射图形基本不变。

^^^2.2微带天线的分析方法

目前用来对口径耦合微带天线进行理论分析的方法有很多种。最传统的经典方法是传输线模型（TLM-Transmission Line Model）理论，主要用于矩形贴。更严格更有用的是空腔模型（CM-Cavity Model）理论，可用于各种规则贴，但基本上局限于天线厚度远小于波长的情况。计算最复杂的是积分方程法（IEM-Integral Equation Method）即全波（FW-Full Wave）分析法。从数学方面看，第一种理论把微带线的分析简化为一维的传输线问题；第二种理发展到基于二维边值问题的求解；第三种理论可计入第三维的变化，计算时间。被广泛使用的数值分析方法有结合谱域技术的矩量法(MOM)、能解决带及瞬号的时域有限差分法(FDTD)。另外，由于计算机性能的提高以及算对成熟，有限元法(FEM)在天线计算方面也得到了较多的应用。传输线模型空腔模型法是较早出现的比较实用的方法，适合规则形状贴片的分析设计，好满足工程计算的精度要求。但随着现代通信技术的发展，微带天线结构复杂，传统的解析或半解析方法己经不能够

胜任，只能借助数值算法。在下文中将重点对传输线模型理论和全波分析理论进行分析讨论。

2.2.1传输线模型理论

传输线模型理论是利用了微带贴片边缘所引起的电导和电纳关系式，给出了不同传输阻抗的简单解释。口径（缝隙）耦合微带天线结构如图2-2所示，口径耦合微带天线等效电路图如图2-3所示，口径耦合微带天线传输线等效电路图如图2-4所示。

图2-2 口径耦合微带天线结构图

图2-3 口径耦合微带天线等效电路图

图2-4 口径耦合微带天线传输线等效电路图

1）微带贴片输入导纳的计算

图2-3中Ypatch为微带贴片的输入导纳，可由下式计算得到

Zpatch?1/Ypatch?1/Y1?1/Y2 (2-2-1)

其中 Y1?Y0Y2?Y0(Gr?jBopen)?jY0tan(?L1)Y0?j(Gr?jBopen)tan(?L1),L1?x0 (2-2-2)

(Gr?jBopen)?jY0tan(?L2)Y0?j(Gr?jBopen)tan(?L2),L2?a?L1 (2-2-3)

式中，x0为缝隙的位置，Y0是矩形贴片在宽度为b时的特性阻抗，?是相移常数，(Gr?jBopen)是辐射导纳。Gr,Bopen的计算公式为：

?1a2a?0.35?0?()?90?0?1a1Gr??()?0.35?0?a?2?0 (2-2-4) 2?120?060??1a()2?0?a?120?0?Bopen?Y0tan(??l) (2-2-5)

哈默斯塔德给出了?l的经验公式如下：

?l?0.412h(?e?0.3)(a/h?0.264) (2-2-6)

(?e?0.258)(a/h?0.8)2）耦合系数的计算

由于接地板上的口径只截获总电流的一部分，因此第一个输入变换器的变换比n1（口径和贴片的耦合系数），取为这部分电流与总电流之比：

La (2-2-7) b第二个变换器的变换比n2（馈线和口径的耦合系数）由微带馈线上该口径所

n1?引入的模电压变化量?V来计算

n2??V ，其中?V??Ea?hl?ds(2-2-8) V0Sa式中，V0为缝隙电压，Ea为口径电场，hl为微带线的归一化磁场，Sa为口径面积。

3）口径导纳的计算

由口径近场的储能所引入的电纳即口径的导纳：

Yap??j2Yoscot(?sLa/2) (2-2-9)

4）输入阻抗的计算

把调谐开路微带线Ls（特性阻抗为Zom，波数为?m）的电抗计入，便得到

总的输入阻抗：

Zin?2n2n12Ypatch?Yap?jZomcot(?mLs) (2-2-10)

由公式（2-2-8）和（2-2-10）可知，输入电阻随口径长度La增加而增加。谐振频率主要由n12Ypatch?Yap决定，即当n12Bpatch?Bap?0时发生谐振，则

Bpatch?4b2Zos?sL3a (2-2-11)

因此，增大La时，Bpatch降低，将使谐振频率下降。这说明可以通过调节口径的尺寸和开路调谐枝节的长度来调节天线的匹配。

2.2.2 全波分析理论

全波分析法也称为积分方程法，通常先求出在特定的边界条件下单位点源所产生的场即源函数或格林函数，然后根据叠加原理，把它乘以源分布后，在源所在的区域进行积分而得出总场。因为通常源未知，因而要先利用边界条件得出源分布后的积分方程，在解出源分布后再由积分算式来求出总场。

积分方程法不但可用于分析规则形状的薄微带天线，更适用于对各种厚基片微带天线及微带天线元间的互耦等问题进行分析。该方法首先通过对微带天线各界面上的边界条件和分层媒质中空域并矢格林函数，写成谱域并矢格林函数，建立起关于表面分布电流的积分方程，然后用数值方法如矩量法进行求解，得到表面分布电流后，由此再求出微带天线的输入阻抗与远场和近场分布等参数。对应于所使用的谱域和空域并矢格林函数，该方法又可分为两大类：第一类是谱域分析法（SDA），即将积分方程和并矢格林函数写成谱域形式并在谱域内求解，这样需要研究面电流的谱域变换式。第二类方法为空域分析法，即将谱域中得到的并矢格林函数进行变换，在空域中求解积分方程，从而不必对电流分布作傅里叶变换，这样更适合于各种不同形状的导体贴片，使其在计算天线的输入阻抗时有一定的优越性。目前，积分方程是应用最广泛、计算结果最精密的方法，但也是计算最费时、对计算机硬件要求最高的计算方法。

无论是传统的传输线理论还是腔模理论，都没有考虑场在与片垂直方向上的变化，对于多数薄的微带天线来说，这种简化不会带来显著的误差，但对于基片厚度与波长比不是很小时（h/?~0.1），这种简化就会引入较大的误差，此外，上述方法对微带片的形状有一定的要求，与之相比，积分方程法将不受到这些限制，应用的范围更为广泛。

2.3微带天线的馈电方式

馈电部分是微带天线的重要组成部分，选择一个恰当合理的馈电方式对压缩天线的整体尺寸、提高天线的辐射性能和工作带宽以及日后扩展成天线阵列都具有重要意义。特别是对于双频双极化天线，天线输入阻抗的匹配就可由选择恰当的馈电点位置来实现。选择馈电方式需要综合考虑多种因素，最重要的是使辐射结构与馈电结构之间能够有效地传输能量，即两者要阻抗匹配。恰当的馈电方式还有助于降低微带天线的伪辐射和表面波损耗，以及减少旁瓣电平和交叉极化电平。目前对微带天线单元进行馈电的基本方式主要有微带线馈电、同轴线馈电、临近耦合微带馈电、口径耦合微带馈电、共面波导馈电等馈电方式。本节主要介绍目前应用较多的馈电方式。

2.3.1微带线馈电

微带线馈电是微带馈线与微带贴片共面的一种馈电结构。这种馈电结构具有制作简单方便的特点。但微带馈线本身也要引起辐射，从而干扰天线的方向图，降低增益。另外，条状微带馈线所引入的附加电容将会产生较大的电抗功率，进而减小天线的工作带宽。为此，一般要求微带馈线宽度w不能宽，希望w???，这就要求微带天线的特性阻抗Zc要高些或者基片厚度h相对较小，介电常数?r大些。微带馈线可以和微带贴片直接相连，也可以通过伸入贴片内部以获得所需阻抗，天线输入阻抗与馈线特性阻抗的匹配可由选择恰当的馈电点位置来实现。馈点位置的改变将使馈线与天线间的耦合发生变化，因而会使谐振频率有一定的漂移，但方向图一般不会受影响，频率的漂移可通过改变微带贴片的尺寸来补偿。

2.3.2同轴线馈电

同轴线馈电就是将同轴插座安装在介质基板的背面，而同轴线探针接在天线导体上，或者探针通过地面的缝隙，连接微带线或辐射贴片，构成的一种馈电结构。同轴线馈电结构的优点是辐射贴片与馈电部分之间可以实现良好的隔离和屏蔽，从而可以相对独立地设计馈电网络部分和辐射贴片部分，进而改善整个天线系统的性能；馈电点可选在贴片内任意所需位置，便于匹配。这种馈电结构的缺点是需要在介质基片上打孔，并且需要对探针与微带贴片进行焊接，结构不便于集成，制作麻烦。

2.3.3口径（缝隙）耦合馈电

口径耦合馈电结构最初由D.M.Pozar提出来的。它是将辐射单元和馈电单元分列于接地板的两侧，在底层的微带馈线通过接地板上的口径耦合能量到上层贴片的一种结构。口径耦合微带天线具有如下优点：①避免了在基片上打孔，便于制作；②辐射贴片和馈电网络分别位于接地板的两侧，彼此之间的干扰被接地板隔离，不仅避免了馈电网络的辐射干扰，而且辐射单元和馈电网络可分别采用低介电常数的厚基片和高介电常数的薄基片来实现各自性能的优化；③容易实现阻抗匹配。口径耦合馈电方式的缺点是需要在接地板上开缝隙，缝隙的位置和尺寸需要精确的控制，不便制作。

在实际设计当中，口径的形状可以有多种选择（如矩形、圆形、十字形、U形、H形等）。Vivek用实验研究了几种不同形状的口径对耦合量的影响,得出开H形状的口径可以得到比较大的耦合量。H.S.Shin等用实验证明开H型口径的微带天线一般可以获得10%(VSWR<2)左右的相对带宽，而且具有良好的交叉极化性能。鉴于H形口径耦合的馈电方式可以获得更大的带宽、可以分别对辐射贴片和馈电网络进行优化设计的优势，本文将选用这种馈电的方式来对微带天线单元和阵列进行设计。

2.4本章小结

本章首先由考察矩形微带贴片入手介绍了微带天线的辐射机理，其次介绍了分析微带天线的方法。应用于分析微带天线的方法很多，本章只介绍本文用于分析和设计微带天线单元所采用的传输线模型理论和用于仿真天线模型的CST软件所采用的全波分析理论。利用传统的分析方法根据技术指标对天线进行分析和设计，结合基于全波技术的电磁场仿真软件对设计的天线模型进行仿真和优化，这大大提高了我们的工作效率。最后介绍了微带天线常用的馈电方式（微带线馈电、同轴线馈电和口径耦合馈电），并且比较了三种馈电方式各自的优缺点。通过比较，本文将选用口径耦合馈电的方式来对微带天线进行设计。在本文中，运用传统的传输线模型理论对双频微带天线单元进析设计。

3宽带双频双极化微带天线单元的设计

现代的卫星通信系统对天线提出了更高的要求，不仅要求天线小型化、重量轻、具有良好的隐蔽性和机动性，同时为满足收发一体化和大容量通信的需求，还要求天线具有双频及宽带特性。微带天线具有体积小、重量轻、平面结构、能与载体共形、馈电方式和极化形式多样化等诸多优点，在卫星通信领域倍受人们青睐。但微带天线在带宽和双频等方面的性能都难以适应现代卫星通信系统的要求。因此，Ku波段宽带双频微带天线虽然小型化，但由于要求微带天线同时实现宽频带、双频特性，具有一定的难度。因此，研究出结构简单、体积小、重量轻，具有双极化特性、兼容两个波段，以满足现代Ku波段卫星通信系统要求的高性能天线是本论文所要解决的问题。

本章所研究的宽带双频微带天线单元用作Ku波段卫星通信天线阵的阵元。设定天线的主要设计指标为：工作频带：11.95GHz～12.65GHz;14GHz～14.4GHz，驻波比≤1.5。

3.1天线单元的结构

微带天线频带较窄的固有缺点限制了它的广泛应用。为了展宽频带有以下途径：降低等效电路Q值；附加寄生贴片；采用口径耦合馈电；采用多层结构等。其中，采用口径耦合馈电方式是比较简单实用的方法。耦合口径一般放置于贴片的近中心位置，以使贴片获得最大的耦合量。耦合量由下式表示：

??coupling????M?Hdv?sin(?x0/L) (3-1-1)

式中x0是缝隙与贴片边沿的偏离量，L是缝隙的长度。可见通过调整耦合缝隙的长度、缝隙形状、馈线的宽度、馈线开口端的短截线的长度等参数，可以增加贴片的耦合量，改善天线的带宽。

为了研制Ku波段宽带双频双极化微带天线单元，对微带天线的宽带技术、双频技术及双极化技术进行了深入的研究。本文综合采用H形口径耦合馈电技术、插入空气层等方式实现天线的宽频带谐振；采用不同馈电点技术在微带天线单元中形成双频谐振点；采用微带正交背馈的方式实现了双极化特性。设计的天线单元结构如图3-1所示。

图3-1 天线单元结构图

在该结构中，天线的主体由三层介质板组成。方形辐射贴片倒置于第一层介质板的下面，寄生贴片置于第二层介质板的上面，这样布置使得上层介质板可以起到天线罩的作用。两层介质板之间由空气层隔开，引入空气层以降低微带天线

Q值，从而达到增加带宽的目的。第三层介质板上面是开缝接地板，刻有一对H

型缝隙成轴对称结构，且两个H型缝隙呈T字型放置。第三层介质板的下面是馈电网络，馈线由两相互正交的50Ω微带线组成，微带馈线均采用中心正馈的方式，以增强辐射贴片与馈线之间的耦合。

3.2天线单元的设计

天线单元设计的整体思路是：先根据给定的技术指标通过微带天线的经典理论分析计算，得到天线单元各部分的结构参数，再将这些参数代入仿真软件中建立天线模型，最后把仿真结果与技术指标进行对比分析，反复修改各个参数，再次仿真优化，直到仿真结果满足给定的设计指标为止。

3.2.1介质基片的选择

介质基片的厚度和材料直接影响到微带天线的带宽、效率。因此，设计微带天线的第一步是选择合适的介质基片。根据腔模理论，微带贴片天线可等效为一漏波谐振腔，尽管有较强的辐射，但它依然是Q值较高的谐振系统。对于辐射贴片，为了有效降低微带天线的Q值，展宽工作频带，尽可能选择介电常数较低、厚度较厚的介质基片；对于馈电网络，选择较薄的基片将有效降低来自馈线的伪辐射，而且能增强介质对波的束缚作用，增大能量耦合效率。因此，在选取介质基片时根据具体应用首先要考虑基片的多个参数：如介电常数?r、介质厚度h、损耗角正切tan?等；其次要考虑介质基片的多种性质：如基片厚度的均匀性、基片随湿度和温度变化的稳定性、基片的抗化学性、拉伸强度及结构强度、柔韧性、抗冲击性、可粘合性等。

在本文中，由于口径耦合馈电方式的优点，辐射贴片和馈电网络可以根据不同的需求分别选择不同的介质基片。但辐射基片的介质厚度不能太厚，否则容易在贴片天线表面激励起不必要的高次模和伪辐射。综合考虑上述因素，本文中的辐射天线单元采用?r1?2.2,h1?1mm的聚四氟乙烯板；馈电介质板采用?r2?3.38，

h2?0.305mm的陶瓷碳氢混合物板。

3.2.2天线单元各参数的确定

由于采用了口径耦合的馈电方式，辐射贴片部分的参数可以根据微带天线的经典公式来确定，而馈电部分可以采用微带天线的传输线模型理论来确定。 1）辐射贴片尺寸的确定

辐射贴片的尺寸可以根据下列经典公式得出：

a?b?c?r?1?1/2() (3-2-1) 2fr2c2fr?e?2?l (3-2-2)

10h?1/2) (3-2-3)

22a(??0.3)(a/h?0.264)?l?0.412he (3-2-4)

(?e?0.258)(a/h?0.8)?e??r?1?r?1?(1?式中c是光速，fr是谐振频率，?e是等效介电常数，?l是伸长量。其中a大小还影响着微带天线的方向性函数、辐射电阻、输入阻抗，从而也就影响着频带的宽度和辐射效率。由式(3-2-3)可知：当?r和h已知时?e取决于宽度a，而单

元长度b的尺寸又取决于?e，因此a的尺寸应首先确定。当尺寸a小于式（3-2-1）的宽度时，辐射贴片的效率将降低，一般在尺寸允许的条件下a取的适当大些对频带、效率及阻抗匹配都有利，但当尺寸a大于式（3-2-1）的宽度时将产生高次模，从而引起场的畸变。b在理论上取二分之一波长，但由于边缘场的影响，

b的值由式（3-2-2）来确定。本文在设计天线的辐射贴片时选择了方形贴片,因为它可以保持良好的双极化对称特性。 2）空气层厚度的确定

通常，空气层的高度取0.1?0。考虑到本文要实现Ku波段双频段功能，空气层的高度初步设定为0.1?1??c?0.1?2。尽管谐振频率主要由辐射贴片的尺寸决定，但空气层的厚度对天线的谐振点也有一定的影响。一般随着空气层厚度的增加，在其他参数不变的情况下，天线的谐振频率向低端会有较大的偏移。本文空气层厚度的初始参数?c取2.2 mm。 3）口径尺寸、馈线及调谐枝节长度的确定

如图3-1中图(c)所示，采用一对H形口径成轴对称结构。为了实现良好的交叉极化和隔离度特性，两个H型缝隙呈T字型放置。因为两个互相垂直的H形口径中的一个中央臂与另一个口径的馈线平行，在这种情况下，此H形口径并不从另一馈线端口耦合能量，所以两个极化馈电端口能产生较好的隔离度。缝隙长度决定电磁的耦合量，过长的缝隙将引起较大的后向辐射，另外缝隙宽度影响交叉极化分量的上升。在满足天线带宽的条件下，缝隙的尺寸越小越好。缝隙的长宽可由以下方程来近似地计算。

790最后，确定馈线和开路枝节的几何参数。该结构中的馈线由两相互正交的

L??0,W??0 (3-2-5)

50Ω微带线组成，为了增强辐射贴片与馈线之间的耦合，微带馈线均采用中心正馈的方式。口径耦合微带贴片天线通常采用微带开路支节进行调谐，它的作用是调整输入导纳电纳部分以便得到较好的阻抗带宽，调谐的长度一般稍小于?g/4。

3.3天线单元的仿真结果

天线的谐振频率主要由微带贴片的尺寸来决定。通过调节开路终端微带馈线的长度和H型缝隙的尺寸、位置以及辐射贴片的大小来改善天线的阻抗匹配特性，以形成双频谐振点和提高端口的频带宽度。完成初步设计后，得到满足电性能指标的结构参数，最后用电磁仿真软件CST对天线的结构参数进行仿真优化，优化后天线单元结构参数分别如表3-1所示。

表3-1天线单元各参数（单位：mm）

参数 尺寸 参数 尺寸 Wc1 0.8 Wc3 0.85 Wc2 0.25 Wc4 0.2 Lc1 0.5 Lc3 3.5 Lc2 3.4 Lc4 0.46 Ls5 1.2 Ls6 0.31

(a)天线单元反射系数仿真结果 (b)天线单元隔离度仿真结果

(c)水平极化端口阻抗特性曲线 (d)垂直极化端口阻抗特性曲线

天线单元的S参数仿真结果如图3-2中图(a)和图(b)所示。水平极化端口在10.84GHz～13.81GHz内|S11|<-14dB，相对阻抗带宽为24.1%；垂直极化端口在13.18GHz～14.58GHz内|S22|<-14dB，相对阻抗带宽为10.09%；在11GHz～16GHz整个频带范围内两个极化端口的隔离度优于38dB。两个极化端口的阻抗特性分别如图(c)和图(d)所示。由于水平极化端口较宽的频带特性，使得水平极化端输入阻抗的实部在50Ω附近上下波动幅度较小，虚部在0Ω附近波动幅度也很小；而垂直极化端的频带相对较窄，实部和虚部波动的幅度较大。

3.4本章小结

本章设计了Ku波段宽带双频双极化微带天线单元。首先介绍了天线单元的结构及设计步骤。其次，根据微带天线理论计算出天线单元各参数，用电磁仿真软件CST对该天线进行了建模、仿真和优化，并给出了天线单元优化后的各参数。最后，给出了天线单元结构的仿真结果并且进行了分析和评价，达到了预期的设计要求和效果。

4 结束语

现代的卫星通信系统对天线提出了更高的要求，不仅要求天线小型化、重量轻、具有良好的隐蔽性和机动性，同时为满足大容量通信的需求，要求天线具有双极化、多频性及宽带特性。Ku波段宽带双频双极化微带天线能满足上述要求，但其本身的多性能特性带来的是研究和设计上的困难，一方面要求微带天线具有双频特性，且每个频带又要求宽带工作；另一方面要微带天线能实现双线极化辐射特性，而且要求具有较高的隔离度和较低的交叉极化电平，这对微带天线的设计提出了严峻的挑战。

本文在对微带天线的性能、结构模型、馈电技术等各个方面进行深入探讨的基础上，设计了结构简单的具有宽频带、双频、双极化性能的Ku波段平面微带天线单元。针对微带天线频带窄的特点，采用了H形口径耦合馈电技术、插入空气层等方式实现天线的宽频带谐振；采用不同馈电点技术在微带天线单元中形成双频谐振点实现了双频工作；采用微带正交背馈的方式实现了双极化特性。本文设计的天线阵结构简单，成本低，易调试。

当然，由于作者时间有限，尚有一些后续工作需要进一步完善。后续工作可在前期理论分析和大量计算机仿真及试验模型天线测试调整的基础上进行。希望今后在革新的基础上设计出性能更好，结构更简单更新颖的微带天线来。

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致谢

在此论文完成之际，我要衷心感谢我的导师XX教授。XX老师具有严谨的治学态度，渊博的学识，高尚的人生观。他那缜密的思维方法、敏锐的洞察力、平易近人的态度、注重实际工作和创新能力的作风以及对学生高度负责的精神，使我受益匪浅，并将终身受益。本文的研究工作从选题、实施到成稿，都倾注了XX老师的大量心血，论文的每章每节都体现了导师对我的启发与指点，使我在学术上获益良多，在此谨向XX老师致以最诚挚的谢意。

感谢与我一起奋斗的同学，他们阅历丰富，学识渊博，堪称良师益友，我们经常一同探讨人生，探讨学术，分享所学，使我受益匪浅。感谢他们在生活和学习上对我的关心和支持。最后，向评阅本论文和答辩委员会的诸位专家及答辩秘书所付出的辛勤劳动表示衷心的感谢。

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