基于cst的ku波段阵列天线设计

前言：

微带天线的制作成本低，天线的整体尺寸往往较小，具有很轻的重量。而且由于是印刷形式的，易于加工和批量生产，因此被广泛应用于通信系统中。为提高天线的方向性，最为直接的方法是利用电磁波干涉原理，将多个单元组合阵列。有时为实现特殊用途，还要求天线的波束具有扫描功能。本文设计了一款驻波形式的串联馈电微带阵列天线，工作在Ku频段，并且采用切比雪夫综合方法，有效降低天线的副瓣电平，然后将单个线阵组合成为面阵，给每个端口赋予不同的相位和激励幅度，实现了平面波束扫描功能。

关键字：微带天线，阵列，低副瓣，相控阵 HFSS CST

天线设计

天线串馈模型如图所示：

图1 天线模型示意图

首先选择合适的基板材料，选择介质基板材料是通常从以下几个方面考虑：

1.选择合适的相对介电常数。

微带天线的尺寸受介电常数影响很大，相对介电常数越大，微带天线的尺寸就越小，且天线的带宽也会降低，对制造公差要求较高。

2.选择合适介质损耗角正切。

损耗角正切的值与天线的效率密切相关，损耗角正切的不断增 加，其馈电损耗也逐渐变大。

3.介质基板厚度

基板厚度对天线的带宽、增益以及效率等方面的影响较大，适当增加介质板的厚度，带宽会变宽，效率会提高，但是如果介质板厚度太大，会激起表面波，使得天线间的耦合度增加，效率也会下降；减小介质板厚度可以使天线的增益变大，但是天线的带宽会变窄。经过综合考虑，本次设计采用罗杰斯Ro5880板材，相对介电常数为2.2，损耗正切值约为0.002

下一步就是设计贴片部分，首先要确定贴片的尺寸，本次设计的串联馈电阵列，要满足低副瓣要求，就要实现各个单元激励电流的幅度控制，如图1所示Wp与Lp分别是贴片的宽度与长度，其中Lp决定天线的中心频率，Wp影响阻抗，实现不同单元间的电流分布，就是调整Wp，最初的贴片大小可以根据微带天线的经典理论计算得到，然后微调Lp，使其工作在需要的频带范围，然后根据每个单元激励的电流幅度要求，设计每个单元的Wp值，最后将所有单元用一根微带线串联起来，根据驻波阵列设计原理，则每个单元间的微带线长度应该是二分之一波导波长，也就是说，每个贴片的间距Ld应该保持在一个波导波长，这样实际贴片的间距将小于1个空间波长，组合阵列不会出现珊瓣。

为实现低副瓣效果，本次设计采用切比雪夫分布，按照25dB副瓣计算，得到10单元电流分布如下

然后将贴片的Wp宽度，按照电流幅度的比值，从中间向两边依次按照规律计算即可，最终得到如下图的模型，需要指出，本例的天线从中间馈电，利用180度微带线相移，平衡左右相位。

图2 天线设计模型

图3天线S11

图4 天线3D增益图

图5 E面与H面方向图

图4和图5可以知道，线阵的增益在17dBi，副瓣控制在20dB以下，然后将此阵列组合成面阵，如下图

图6 平面阵

图7 波束扫描

根据图6和图7可以看到，平面阵列增益约25dBi，在扫描的情况下，-50到50deg范围内，均可以保持低旁瓣，增益下降在2dB左右，随着扫描角度的增加，3bB波束宽度有所增加。

总结

本文设计了一款工作在Ku波段的低旁瓣阵列天线，首先设计低旁瓣的线阵，进而组合成面阵，面阵在15.5GHz增益达到25dbi，在50度范围内，波束实现扫描，并且保持低的旁瓣效果。

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