基于HFSS的Ka波段微带阵列天线仿真 .pdfVIP

1前言

Ka波段微带天线是指工作频段在26-40GHz，波长范围在1.11-0.75cm的微带天线。鉴

于Ka频段具有可用带宽宽、干扰少、设备体积小等优点，Ka波段天线在空间方面主要应

用于卫星通信。在全球信息基础设施中，Ka波段卫星发挥着至关重要的作用，能够向最终

用户提供各种经济实惠的实时网络服务，例如高速互联网接入、远程教育、远程诊断以及

电视娱乐等。因此，Ka波段天线具有不可替代的重要作用。而Ka波段微带天线以其重量

轻、剖面小、设计灵活、成本低廉且易和MIC、MMIC等电路相集成等优点应用于各种通

信系统，并且已广泛应用于军事领域，例如雷达、导弹制导、引信等方面[1-3]。

目前，Ka波段微带天线在空间方面主要应用于卫星通信、飞机上的通信及警报设备、

飞船与地面的通信等。另外，在宇宙空间方面主要应用于资源探测。在地面应用主要针对

地面通信或对空中飞行物的定位、定向等。例如地面无线通信、飞机测高、机场管理、环

境监测、汽车防撞雷达医疗设备、卫星电视接收等。

本文对Ka波段微带天线进行仿真设计，对微带天线单元、T型接头的微带天线阵列天

线进行了分析，仿真了天线S参数和方向图等特性。

2微带阵列天线仿真设计

2.1天线单元设计

利用HFSS仿真设计微带天线单元。选取天线结构如图1所示。使用RogersRT/duriod

5880介电常数2.2，厚度h=0.245的介质基片。根据参考文献[1]，考虑f=35.125GHz，

r0

且取得低极化电平的限制为W/L=1.5，故先选取W=3.8mm，L=2.6mm。微带馈线特性阻抗

选择为94，馈线宽度为0.238mm。馈电位置选择在微带贴片的边缘位置馈电。

图1微带天线单元图2微带天线单元S11仿真结果

1

微带贴片单元S11仿真结果如图2所示，从图中可以看出当前的微带天线单元在

34.2GHz～35.6GHz范围内满足S11-10dB，带宽为1.4GHz；谐振频率为34.88GHz。

2.2馈电网络设计

馈电网络设计的主要任务是保证各阵元所要求的激励振幅和相位，比便形成所要求的

方向图，主要要求是阻抗匹配、损耗小、频带宽和结构简单。天线阵中各单元同幅同相，

为达到这一要求，必须使到各单元的馈线等长。但馈线等长时，波速指向与频率无关，所

以频带宽度主要取决于阻抗匹配的频带。为此，必须使馈线与贴片单元和馈线各接头做到

良好的匹配。本设计中采用由T型结构组成的等幅同相的馈电网络[4-5]。

2.2.1T型接头

首先是T型接头的设计。根据传输线理论，将并接的两段特性阻抗均为Z的馈线通过

1

阻抗变换器匹配到特性阻抗为Z的馈线，中间的阻抗变换器长度为工作波长的四分之一，

2

阻抗变换器的特性阻抗ZZZ/2。为了补偿T型接头的不连续参量，可以在主线

012

上（分支线的对面）开个三角槽。因为微带天线单元馈线宽度为0.238mm，特性阻抗为94，

为了设计简便，令Z=Z。阻抗变换器的宽度为0.466mm，特性阻抗为70，长度为1.54mm，

12

三角槽的底角25，腰的长度为0.507mm。此外考虑到微带贴片单元馈电点在非辐射边

的边缘，当组成阵列时，如果直接用简单组合的型接头馈电网络为每个阵元馈电，将会导

致型接头馈电网络的馈电点与阵元距离太近甚至重合，而影响微带贴片阵元的辐射方向图。

因此，为了保证阵元的间距，减少馈电网络与阵元之间的耦合，将馈电网络稍作改进[6]。

2.2.2馈电网络

利用上述T型接头，组成2×