Ku波段双频双极化微带天线阵设计及性能优化

"本文介绍了一种用于卫星通信的Ku波段宽带双频双极化微带四元天线阵的设计，该设计采用了口径耦合馈电、错位倒相馈网技术和单层微带贴片结构，并通过电磁仿真软件CST2008进行了优化。天线在水平和垂直极化端口表现出良好的性能，具有较高的隔离度和增益。" 在现代卫星通信领域，天线的设计至关重要，它需要满足多种需求，包括小型化、轻量化、高隐蔽性和机动性，以及双频、双极化功能，以适应大容量通信和收发一体化的要求。本研究中提出的一种Ku波段宽带双频双极化微带天线阵，就是针对这些需求而设计的。 天线单元的设计是整个系统的基石。本文描述的天线单元由三层介质板构成，其中辐射贴片被倒置在第一层介质板下方，用作天线罩。第二层介质板上设有H型缝隙，形成轴对称结构，用于实现交叉极化和隔离度。馈电网络则位于第三层介质板上，由两条相互正交的50欧姆微带线构成，以实现双极化。通过调整馈线长度、缝隙尺寸和位置，可以优化天线的阻抗匹配，形成双频谐振。 在设计过程中，H型缝隙的T字型排列有助于提升交叉极化特性，而金属反射板的添加则能减少背向辐射，提高天线增益。天线使用的介质材料包括聚四氟乙烯和陶瓷碳氢混合物板，它们的不同介电常数和厚度有助于控制天线的谐振频率和带宽。 电磁仿真软件CST2008在天线设计中起到了关键作用，它能够对天线的电特性进行仿真和优化，确保设计参数的准确性。经过优化后的四元天线阵在实测中表现出优异的性能：水平极化端口在11.21 GHz至13.47 GHz范围内的电压驻波比（VSWR）小于或等于1.5，相对阻抗带宽达到18.3%；垂直极化端口在13.43 GHz至14.88 GHz频率范围内，VSWR同样小于或等于1.5，相对阻抗带宽为10.24%。在工作频带内，两端口的隔离度低于-35 dB，最大增益可达13.2 dB，这些结果与仿真预测一致。 这种Ku波段双频双极化微带天线阵的设计，不仅展示了现代天线设计的创新技术，还验证了理论计算与实际性能的一致性，为卫星通信系统提供了更高效、更稳定的解决方案。未来，类似的设计可能会进一步应用于更多复杂的卫星通信场景，以满足不断增长的数据传输需求。