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平面结构阵列天线的仿真分析

张健;刘晓倩;刘燕;李茹

【摘要】由于各种微波射频系统对天线性能的要求越来越高,单个天线不易实现,而

阵列天线通过对阵元数量、结构形态、排列方式、馈电幅度和相位的选择与优化,

可得到单个天线元无法实现的辐射特性.以对微带天线的矩形贴片的分析为基础,完

成Ku波段的4元线极化微带阵列天线设计.利用HFSS仿真软件构建阵列天线的

物理模型,利用HFSS宏定义优化天线的尺寸参数,通过数据后处理得出驻波特性、

3D增益、增益方向图和电场方向图等曲线.仿真结果表明,该4元微带阵列天线具

有低副瓣、高增益特性,可满足天线工程需要.

【期刊名称】《微处理机》

【年(卷),期】2019(040)003

【总页数】6页(P34-39)

【关键词】微带阵列天线;馈电网络;Ku波段

【作者】张健;刘晓倩;刘燕;李茹

【作者单位】西北工业大学明德学院信息工程学院,西安710124;西北工业大学明

德学院信息工程学院,西安710124;西北工业大学明德学院信息工程学院,西安

710124;西北工业大学明德学院信息工程学院,西安710124

【正文语种】中文

【中图分类】TP391.9;TN821.8

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1引言

随着现代雷达和通信技术的蓬勃发展，各种微波射频系统对天线性能的要求日趋具

体和严格。因微带天线自身独特的优点，在通信、雷达等多个领域已被广泛应用，

这就要求阵列天线不仅要具有特定形状的波束，还要结构紧凑，且体积和重量尽可

能小，以满足不同条件下的工程需要。阵列天线是由若干个天线单元按一定方式排

列并给予适当激励获得预定方向图特性的天线；阵列天线的方向图特性是由天线单

元数目、各单元间距、排列形式、幅度和相位五个要素确定的，同时还要考虑阵元

自身的特性对阵列天线的影响。阵列天线在结构上由载流线元、口径面元、尺寸较

小的微带贴片等组成。通过对阵元数量、结构形态、排列方式、馈电幅度和相位的

选择与优化，可得到单个天线元无法实现的辐射特性。因此，研究具有低副瓣、高

增益特性的微带阵列天线的小型化、轻量化、高机动性，具有重要的工程意义。

2微带阵列天线原理

微带天线的构成，是在介质基片上，一面用光刻腐蚀等方法制成特定形状的金属辐

射贴片，另一面敷上金属薄层作为接地板，再采用微带线、同轴探针或其它馈电方

式进行馈电，使辐射贴片与接地板之间激励出辐射电磁场，并通过贴片四周与接地

板间的缝隙向外辐射出去[1-3]。其结构如图1所示。

图1微带天线结构图

依据分析微带线的方法不同，有不同的辐射原理。在此以矩形贴片微带天线为例简

述其工作原理。对于矩形贴片微带天线，可采用传输线模型理论来分析其性能。假

设辐射贴片的长度为L≈λ/2，宽度为W，介质基片的厚度为h≪λ0/2（λ0为工

作波长）。当只有主模激励（TM10模）的条件下，电场在长度L方向只有λg/2

的改变（λg为微带传输线的波导波长)，而宽度W方向上保持不变。

微带天线的辐射原理如图2所示。由图2(a)中可见其辐射可看成是由辐射贴片开

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路端的边沿激励的，而在两开路边的电场可以分解为相对于接地板的水平分量和垂

直分量。由于辐射贴片长度L约为半个波长，其两开路端电场垂直分量的方向相

反，则在正面方向上由它们产生的远场将会相互抵消；而水平分量方向相同，合成

的场强加大，则垂直于天线表面方向上的