摘要
近年来卫星通信事业迅猛发展。由此卫星通信天线也被越来越多天线工作者研 究。其中，Ku波段天线，GPS天线在卫星通信中有着广泛应用。本文主要研究了于
Ku波段128单元双频双极化相控阵列设计、一种GPS阵列设计。 首先，综合运用了缝隙耦合馈电、反相馈电技术、单层贴片结构等技术设计4⨯8 元宽带双频双极化天线阵。以该天线阵做为子阵单元，通过外接一分四宽带Wilkinson
等功分微带功分器，组成128元宽带双极化微带平面天线阵列，并利用CST仿真软件
进行建模仿真。根据优化后的尺寸制作实验模型，实测天线阵水平极化端口和垂直极
VSWR≤的条件下，分别取得了10.7%和5.02%的相对阻抗带宽，两个极化化端口在 1.5
端口的隔离度优于28dB，水平极化和垂直极化的交叉极化电平在主瓣宽度内均低于
-18dB。两个频段的最高增益仿真结果分别达到26.2dB和24.1dB。仿真和测试结果表
明，所设计的阵列天线基本满足了设计要求。
其次，采用微带介质天线结构，设计出一种宽波束圆极化天线。实测低频单元在 1.245GHz~1.296GHz频率范围内VSWR<2，相对阻抗带宽4%；3dB波束宽度大于100°；
轴比小于3.43dB。低频阵列在1.23GHz~1.31GHz频率范围内VSWR<2，相对阻抗带宽
6.3%；轴比小于2.6dB。高频单元在1.55GHz~1.62GHz频率范围内VSWR<2，相对阻抗带宽4.4%；3dB波束宽度大于100°；轴比小于2.9dB。
最后对全文的工作加以总结，并提出了有待于进一步研究和改进的几个问题。
关键词： Ku波段；功分器；双频双极化；圆极化；宽波束；轴比
Abstract
In recent years, with the rapid development of satellite communications,the satellite
communication antenna is researched by more and more antenna researchers. Ku band
antenna and GPS antenna are widely used in satellite communication.The research of some
problems about the theory and the design of broadband 128-element dual-frequency and
dual-polarized microstrip phase array antennas in Ku-band And a kind of GPS antennas is
vb连接sql数据库described in this paper。
Firstly, aperture coupling feed , anti-phase feeding and single-layer microstrip patch
structure are applied to design this microstrip antenna phase array。This paper regards 4
element broadband dual-frequency and dual-polarized microstrip array antennas as 4 48医用呼叫器
subarrays. The phase is controled By 4 phase shifters. Then A 128-element phased arrays is
designed. The parameters of antenna are simulated and optimized by the simulator of
CST。The measurement results show that the relative impedance bandwidths are 10.7% for
horizontal polarization channels and 5.02% for vertical polarization channels, and VSWR
is less than 1.5, respectively. The isolation between two ports is less than -28dB and
cross-polarized level is below -18dB, a gain of 26.2 dB and 24.1 dB is achieved for two
various band, respectively. Both the simulated and measured results show that antennas
array designed achieve the need of design on the whole.
Then, the design of a wide-beam circularly polarization antennas is presented by the
establishment of microstrip dielectric antenna model. The measurement results show that
the relative impedance bandwidths are 4% from1.245 GHz to 1.296GHz, the half-power
beamwidth is greater than than 100°, and the AR-AxialRatio is less than 2.9dB, for low
channel antenna, which VSWR less than 2dB are obtained. the relative impedance
bandwidths are 6.3% from 1.23 GHz to 1.31GHz, the half-power beamwidth is greater
than than 100°, and the AR-AxialRatio is less than 2.6dB,for low channel arrays, which
VSWR less than 2dB are obtained. the relative impedance bandwidths are 4.4% from 1.55
GHz to 1.62GHz, the half-power beamwidth is greater than than 100°, and the
AR-AxialRatio is less than 2.9dB, for high channel antenna, which VSWR less than 2dB
are obtained.
Finally, we summarize the research of the paper and propose some needed improved
problems ulteriorly.
Key word:Ku-band; divider; dual-frequency dual-polarized; circularly polarization;
wide-beam; AR-AxialRatio
目录
摘要I Abstract II 第一章 绪论1
§1.1 研究背景及意义 (1)
§1.2国内外研究现状 (2)
§1.3本文的内容安排及主要工作 (3)
第二章 卫星通讯天线基本原理5
§2.1 微带天线简介 (5)
§2.2相控阵天线基本原理 (6)
飞羽辅助§2.2.1相控阵天线方向图 (6)
§2.2.2线性阵列天线的波束指向 (9)
§2.2.3线性阵列天线的波瓣宽度 (10)
§2.2.4线性阵列天线的增益 (11)
§2.2.5线性阵列的波束零点以及副瓣电平位置 (11)
§2.2.6线性阵列天线阵列扫描时，栅瓣位置的变化 (12)
§2.3 GPS天线基本理论 (12)
§2.3.1天线的极化 (12)
§2.3.2圆极化波的特性分析 (13)
§2.3.3圆极化的条件 (13)
§2.4 本章小结 (14)
第三章 128单元Ku双频段双极化相控阵列设计15
§3.1 天线单元的设计 (15)
§3.1.1微带天线结构的确定 (15)
§3.1.2微带天线如何选择介质板 (16)堆栈式
§3.1.3天线单元的仿真及实测结果 (17)
§3.2 32元天线阵的仿真与测试 (19)
§3.2.1 S参数的仿真与测试 (20)
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§3.2.2 方向图的仿真与测试 (21)
§3.3 128单元相控阵设计 (24)
§3.3.1相控阵波束计算 (24)
§3.3.2天线俯仰角计算 (26)
§3.4 相控阵列仿真结果 (28)
§3.5 本章小结 (30)
第四章 宽波束双频段GPS天线阵列设计31
§4.1 GPS天线单元的设计 (31)
§4.1.1天线指标要求 (31)
§4.1.2宽波束GPS天线单元的结构 (31)
§4.2 GPS微带介质天线仿真 (32)
§4.2.1天线高频单元的仿真结果 (32)
§4.2.2天线低频单元的仿真结果 (35)
§4.2.3一分四功分器工作原理 (38)
§4.2.4阻抗变换器设计 (39)
§4.2.5功分器设计指标 (39)
§4.2.6功分器设计 (40)
§4.2.7宽带功分器原理图仿真 (41)
§4.2.8阵列单元旋转法降低圆极化轴比 (44)
§4.2.9天线低频阵列的仿真结果 (45)
§4.3 本章小结 (47)
第五章 结束语48参考文献50致谢54作者在攻读硕士期间主要研究成果55
第一章绪论
第一章 绪论
§1.1 研究背景及意义
相控阵列天线是二十世纪五十年代后逐渐发展起来的一种大型综合电扫描天线。它是将电扫描器件——数字移相器——增加进阵列天线，从而使得阵列天线波束能够在空间进行自由扫描。经历了从机械扫描到电扫描的转变。最初相控阵的出现为了战争防空的需要。之后慢慢应用到了民用领域[1-3]。与机械扫描相比，电扫描具有迅速、准确、灵敏，以及可以同时探测、识别和跟踪多个目标等特点。因此相控阵天线是一种先进的多功能综合天线[4]。目前预警机雷达基本都采用相控阵天线。
自从问世以来，相控技术在国防、国民经济建设中发挥着越来越重要的作用。相控阵最基本的特点是通过相位器件控制各单元的相位来形成空间波束。以及控制波束扫描。波束扫描可以人为控制。从而为实现波束的自由扫描提供了有力的技术保证。相控技术最早应用于雷达的对抗之中。随着作为探测目标的各种飞行器性能不断提高，同时雷达工作环境也越来越恶劣，以及雷达的任务的越来越复杂。实战中，人们对雷达的性能也提出了越来越高的要求。这种高需求，促使雷达技术不断地快速改进。
相控阵技术不只应用于雷达天线中。而且在商业领域也扮演越来越重要的角。Abbak，M和Tekin，I
将相控阵天线应用到到RFID系统中，RFID系统的标签尺寸较小，从而限制了天线辐射口径的大小，所以阅读器天线设计的关键与难点就是如何增大阅读器天线的覆盖区域[5]。天线研究者们针对这一难点提出可以将覆盖较小区域的多个阅读器天线组合在一起。也可以采用具有高增益性能特点的相控阵天线来扩大覆盖范围。Abbak，M和Tekin，I采用2×2的4单元小型相控阵，扩展了RFID系统的覆盖范围。其方向性系数达到12.1dBi。主波束方向则分别达到了-40°、40°。半功率波瓣宽度做到了90°。Sadegh Farzaneh和Abdel-Razik Sebak提出了一款1×4单元的微带相控阵天线[6]。并对之前提出的开关线式移相器进行改进[7]。实现了天线在特定离散点的波束形成。将相控阵天线推广到无线定位系统。
传送侦测怎么做最早的相控阵天线的天线单元通常是振子天线，现在也逐渐采用微带天线做为阵元。微带天线是上世纪中叶才发展起来的一种新型天线形式。由于微带天线拥有众多优点，诸如：成本低、重量轻、体积小、便于和载体表面共形、
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