Ka波段超宽带准八木天线

admin

                1  引言

                        随着雷达、电子对抗和通信技术的日益发展，通信设备的集成度越来越高，性能越来越好，这就对天线的小型化及高性能提出了更高的要求。利用LTCC技术能有效的缩小天线的体积，提高天线的性能 。LTCC以高耐温性、高热传导率、低介质损耗及优良的高频高Q特性等特点，非常适合用作小型化、高性能天线的材料。而LTCC工艺所具备的多层技术又使得天s线的布局更加多样化。
                         
                        本文应用LTCC技术，在Ka波段设计了一个超宽带准八木天线。该天线主要由馈电结构、主辐射元、寄生辐射元及接地面（也作为反射器）构成，其原理及设计方法与传统的八木天线极为类似 。
                         
                        2  天线设计

                        准八木天线的三维结构如图1所示，采用四层LTCC介质基片，介质基片采用DuPont D943，其相对介电常数er为7.4，损耗角正切tg&为0.002，烧结后每层介质厚度为0.114mm，上下金属层的厚度为0.01mm。
                         
                        该天线前端的馈电部分实际是一个简单的微带巴伦结构，如图2所示(图中包含了主辐射元)，通过渐变微带线从主辐射元的其中一臂进行馈电，另外一臂则由通孔直接连接到背面的接地板上。这样能够保证馈到主辐射元两臂上的电流的相位差为180°（即电流方向相反），若相位差不为180°，则辐射到空间的电磁波会相互抵消，从而大大降低天线的辐射效率。
                         
       

               

       

                图1  准八木天线的三维结构

       

               

       

                图2  微带巴伦结构

                 
                        微带巴伦后面的部分便是天线的辐射部分，主辐射元由微带巴伦进行馈电，电磁波从主辐射元上依次耦合到后面的四个寄生辐射元上，通过寄生辐射元的尺寸、间距以及寄生辐射元到主辐射元的距离可以使得空间中的电磁场在一个方向（巴伦的方向）上相互抵消，在相反方向（主辐射方向）上相互叠加，这样就使天线获得单向辐射的特性。
                         
                        利用HFSS进行优化得到准八木天线的设计参数为：w_s=0.54mm, w_g=2mm, L0=2.4mm, w1=0.3mm, L1=1.2mm, W=6mm, L=9mm, 如图3所示。
                         
       

               

       

                图3  准八木天线结构（俯视图）

       

                 

                         
                        3  仿真结果

                        利用HFSS仿真得到准八木天线的S11曲线，如图4所示；谐振频率处的E面方向图和H面方向图（在直角坐标系下），如图5所示。由图4可知，该天线的谐振频率为34.8 GHz，反射损耗小于-10dB(电压驻波比VSWR约小于2)的相对带宽为38%（27.3GHz～40.4GHz，图4中的点1至点2），几乎覆盖了整个Ka波段，这是传统的微带天线所不能及的。由图5可知，该天线在谐振频率处的最大增益为6.7dBi。在图5（a）中，E面方向图略有不对称，这主要是由巴伦结构的不对称引起的。由图5也很容易得到：E面的主瓣宽度为62°，H面的主瓣宽度为70°。
                         
       

               

       

                图4  准八木天线的S11曲线

       

               

       

                （a）E面方向图

       

               

       

                （b）H面方向图

       

                图5  准八木天线的方向图

                         
                        4  结论

                        本文应用LTCC技术，在Ka波段设计了一个超宽带准八木天线。对该天线的设计和工作原理进行了简要的说明。为有效的对天线的辐射元进行馈电，设计了一种简单有效的巴伦结构。天线的输入阻抗为50W。从仿真结果来看，该天线具有非常好的带宽特性和增益特性。