基于CST的Ku波段低副瓣阵列天线设计

基于CST的Ku波段低副瓣阵列天线设计

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_44873868/article/details/144082047

微带天线由于其低成本、小型化和易加工的特点，在通信系统中得到广泛应用。为了提高天线的方向性，通常采用阵列天线的形式。本文设计了一款工作在Ku频段的低副瓣阵列天线，通过切比雪夫综合方法有效降低了副瓣电平，并实现了平面波束扫描功能。

天线设计原理

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。

本次设计采用串联馈电方式，通过调整各单元的激励电流幅度来实现低副瓣效果。具体来说，通过改变贴片的宽度（Wp）来控制电流分布，同时保持单元间的间距（Ld）为二分之一波导波长，以避免出现栅瓣。

基板材料选择

选择合适的基板材料是天线设计的重要环节，主要考虑以下几个方面：

1. 相对介电常数：介电常数越大，天线尺寸越小，但带宽会降低，对制造公差要求较高。
2. 介质损耗角正切：损耗角正切值与天线效率密切相关，值越大，馈电损耗越大。
3. 介质基板厚度：厚度对天线的带宽、增益和效率有较大影响。适当增加厚度可拓宽带宽并提高效率，但过厚会导致表面波激发和耦合度增加；过薄则会使带宽变窄。

经过综合考虑，本次设计采用罗杰斯Ro5880板材，其相对介电常数为2.2，损耗正切值约为0.002。

贴片尺寸设计

贴片尺寸设计是实现低副瓣的关键。本次设计采用切比雪夫分布，目标是将副瓣电平控制在25dB以下。对于10单元阵列，各单元的电流分布如下：

根据上述电流分布，调整每个单元的贴片宽度（Wp），同时保持单元间距（Ld）为一个波导波长。天线从中间馈电，通过180度微带线相移平衡左右相位。

仿真结果

S参数分析

天线的S11参数仿真结果如下：

增益特性

天线的3D增益图显示其在17dBi左右的增益，副瓣控制在20dB以下：

方向图分析

E面与H面方向图进一步验证了天线的低副瓣特性：

面阵设计与波束扫描

将线阵组合成面阵后，天线在15.5GHz时的增益可达25dBi。在-50到50度的扫描范围内，天线保持较低的旁瓣电平，增益下降不超过2dB：

总结

本文设计了一款工作在Ku波段的低旁瓣阵列天线，通过切比雪夫综合方法实现了低副瓣效果，并成功将线阵扩展为面阵。面阵在15.5GHz时的增益达到25dBi，在-50到50度的扫描范围内保持低旁瓣特性，增益下降控制在2dB以内。该设计对于需要高增益和低副瓣应用场景具有重要参考价值。