一种提高天线增益的有效方法
张连红 阮成礼 刘广燕
（电子科技大学物理电子学院，成都 610054）
摘 要：本文在光学基本原理的基础上，设计了圆盘波导腔体上底面开“十”字槽口环形阵列结构天线，此天线具有宽带圆极化特性，在此基础上提出了一种提高天线增益的有效方法—平板介质覆层法。平板介质覆层采用天线保护装置的形式加载在阵列的前端，可以提高天线阵列3dB 左右的增益，并使得天线的方向性变好。本文并利用CST 仿真软件分析和设计表明，所设计的ku 波段卫星平板槽口阵列天线具有较好的电性能。 关键词：平板介质覆层，高增益，阵列，卫星天线
An effective way to improve the antenna gain
ZHANG lianhong，RUAN chengli，LIU guangyan
(University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 641112)
Abstract: In this paper, based on the basic principles of optics, a kind of "十" slot structure is designed on the bottom of the disk waveguide cavity to compose of ring antenna array, which have broadband and circular polarization characteristics. An effective way to improve the gain of antenna is advanced which is flat panel cladding media . It is loaded load in the form of front-end antenna array as a protection device. It can raise the gain of antenna array about 3dB and form better direction. The analysis and design from CST software show that the ku-band satellite flat-panel slot antenna array has good electrical properties.
Keywords: flat-panel cladding medium, high-gain, array, satellite antenna
1 引言
2 加介质覆层前后天线特性参数比较
在厘米波段，许多光学原理可以用于天线方面。光学中，利用透镜能使放在透镜焦点上的点光源辐射出平面波。同理介质透镜在厘米波段和毫米波段内能够十分有效的产生高方向性波束，同时介质材料价格低廉，能量损耗小，所需加工精度较低，非常适合批量生产，所以毫米波介质透镜天线正在被广泛应用到宽带无线通信[1,2]。
卫星接收天线多采用圆极化形式的设计, 由于圆极化波的抗干扰特性, 即反射回来的电磁波极化方向相反, 引入的损耗小, 也不存在线极化波极化面旋转的问题, 介质透镜覆层对天线的影响可以降到最低, 故能有效地效提高天线工作性能的稳定性[3,4]。
加入覆层后，会对方向图、驻波比等有一定影响，从下图2、3、4可以看出有覆层和没加覆层时带宽和方向性变化很明显，这是因为此介质覆层结构的通带频段内，对频段内的电磁波实现汇聚作用，由于覆层的作用，使槽口天线阵的中心频率向低端偏移[5,6]。故在实际应用中，我们应该合理考虑覆层影响，选择适当的工作频段，以达到最佳的效果。
·1386 ·
图1 腔体缝隙天线前端加介质透镜
图2，图3给出了无覆层和有覆层时圆极化缝隙天线方向图增益比较，从蓝色增益曲线可以看出, 在不加介质覆层时，对于单环缝隙天线, 中心频率12GHz 其主瓣最大增益为10.8dB, 半功率波瓣宽度为74°; 当加了高折射率介质层后, 从橙色增益曲线可以看出其增益达到13.5dB, 半功率波瓣宽度为36°, 增益提高了2.7dB 。这对缝隙天线来说, 其增益增加的程度相当可观。图4给出了无覆层和有覆层时圆极化缝隙天线的驻波比比较，加上介质覆层后，在所需的工作频段内驻波比均小于1.2。当加上介质层时, 在介质覆层作用下, 该天线的方向图呈现很明显的汇聚现象，驻波比也有了明显的改进。
图2 加介质透镜的前后的增益比较
（蓝色、橙色分别为加介质覆层前后的增益曲线）
图3 加介质透镜前后向图比较
（蓝色、红色分别为加介质覆层前后的方向图）
图4 加介质透镜前后驻波比比较（蓝色、红色分别为加介
质覆层前后的驻波比曲线）
下面给出了加上介质覆层后几个点频的方向图，可以看出主瓣方向在个频点基本没有偏转，再次证明了覆层对天线辐射方向图的束缚性很好。
(a) 11.7GHz
·1387
·
(b) 11.9GHz
(c) 12GHz
(d) 12.4GHz
5 加介质透镜后在ku 波段的方向图（a ）11.7GHz 处的方（b ）11.9GHz 处的方向图; （c ）12GHz 处的方向图; （d ）处的方向图
对于该缝隙天线, 有无介质覆层对天线主方向的1388
·
圆极化特性没有太大影响。如果对于线极化缝隙天线, 其加上覆层介质后, 它的中心频率会向低端偏移, 这是由于覆层介质有反射所致[7]。而采用圆极化天线设计, 由于圆极化波的抗干扰特性, 即反射回来的电磁波极化方向相反, 引入的损耗小, 也不存在线极化波极化面旋转的问题, 覆层对天线的影响可以降到最低, 故有效提高了天线工作性能的稳定性。可以预见, 优化覆层透镜的尺寸, 其波瓣宽度会继续变窄，两个副瓣的电平继续降低, 增益将继续提高[8,9]。所以, 合理选择阵面尺寸和增益之间的关系是该覆层天线设计中的一个关键问题, 可根据需要进行设计加工，一般覆层可以作为天线保护外壳的形式加载在天线前端，成本相当低廉。
在光学上望远镜原理可能人人都会知晓，利用双层介质结构实现更高增益，现通过仿真发现双层介质结构与单层介质和不加介质覆层相比，增益还是有所改善如图7所示。双层介质覆层会使得天线的增益比单层介质覆层大1.5dB ，比不加介质覆层大4dB 以上。
图6 缝隙天线前端加双层介质透镜
图7 加双层介质与单层介质及不加介质天线增益比较 的增益曲线）
（红色、粉红色、绿色分别为不加介质，单层介质，双层介质
图向图；12.4GHz ·
3 结论
通过CST 仿真结果可以看到, 圆极化缝隙天线在附加了高折射率的介质覆层后, 波瓣宽度变窄, 增益得到了显著提高, 且该天线保持了良好的圆极化特
性。同时该天线还具有结构简单、加工方便、成本低的特点。介质材料应用于微带天线是新型高增益天线的一个重要发展方向。这种研究对于媒质在天线中的应用具有很好的指导作用, 而且对小型化高增益天线的开发具有重要的参考价值。
参 考 文 献
[1] 林昌禄. 天线工程手册[M].北京:电子工业出版社，2002.
[2] 钟顺时. 微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社，1991.
[3] 龙云亮, 林嘉伟, 容启宁. 新型微带馈电线缝隙天线阵的设计[J].中山大学学报(自然科学版), 2002, 41(5): 16-18. [4] 王伟，吕善伟. 单脉冲平面缝隙阵列天线设计和误差分析[J].无线电工程,1996, (2): 58-64.
[5] CHEN I J, HUANG C S, HSU P. Circularly polarized patch antenna array fed by coplanar waveguide[J]. IEEE Trans. AP, 2004,
29(6): 1607-1609.
[6] M.W. Elsallal and D. H. Schaubert, "On the PerformanceTrade-Offs Associated with Modular Element of Single-and
Dual-Polarized DmBAVA," 2006 AntennaApplications Symposium, pp. 166 - 187, 20-22September.2006.
[7] M.W. Elsallal, "Doubly-mirrored Balanced Antipodal Vivaldi Antenna (DmBAVA) for High Performance Arrays of Electrically
Short, Modular Elements," Ph.D.Dissertation Thesis, Dept. Of Electrical and Computer Engineering, University of Massachusetts, Amherst. Tobe presented in Oct. 2007.
[8] 王乃彪 , 焦永昌 , 张福顺. 各向同性色散双负性材料中电磁波的传播特性研究. 西安电子科技大学电子工程学院研究生学
术年会. 2004
[9] Zio lkowski R W and Kipple A D. Application of double negative materials to increase the power radiated by electrically small
antennas . IEEE Trans Antennas Propagat, Vol 51: 2626～2640, Oct . 2003.
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一种提高天线增益的有效方法
张连红 阮成礼 刘广燕
（电子科技大学物理电子学院，成都 610054）
摘 要：本文在光学基本原理的基础上，设计了圆盘波导腔体上底面开“十”字槽口环形阵列结构天线，此天线具有宽带圆极化特性，在此基础上提出了一种提高天线增益的有效方法—平板介质覆层法。平板介质覆层采用天线保护装置的形式加载在阵列的前端，可以提高天线阵列3dB 左右的增益，并使得天线的方向性变好。本文并利用CST 仿真软件分析和设计表明，所设计的ku 波段卫星平板槽口阵列天线具有较好的电性能。 关键词：平板介质覆层，高增益，阵列，卫星天线
An effective way to improve the antenna gain
ZHANG lianhong，RUAN chengli，LIU guangyan
(University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 641112)
Abstract: In this paper, based on the basic principles of optics, a kind of "十" slot structure is designed on the bottom of the disk waveguide cavity to compose of ring antenna array, which have broadband and circular polarization characteristics. An effective way to improve the gain of antenna is advanced which is flat panel cladding media . It is loaded load in the form of front-end antenna array as a protection device. It can raise the gain of antenna array about 3dB and form better direction. The analysis and design from CST software show that the ku-band satellite flat-panel slot antenna array has good electrical properties.
Keywords: flat-panel cladding medium, high-gain, array, satellite antenna
1 引言
2 加介质覆层前后天线特性参数比较
在厘米波段，许多光学原理可以用于天线方面。光学中，利用透镜能使放在透镜焦点上的点光源辐射出平面波。同理介质透镜在厘米波段和毫米波段内能够十分有效的产生高方向性波束，同时介质材料价格低廉，能量损耗小，所需加工精度较低，非常适合批量生产，所以毫米波介质透镜天线正在被广泛应用到宽带无线通信[1,2]。
卫星接收天线多采用圆极化形式的设计, 由于圆极化波的抗干扰特性, 即反射回来的电磁波极化方向相反, 引入的损耗小, 也不存在线极化波极化面旋转的问题, 介质透镜覆层对天线的影响可以降到最低, 故能有效地效提高天线工作性能的稳定性[3,4]。
加入覆层后，会对方向图、驻波比等有一定影响，从下图2、3、4可以看出有覆层和没加覆层时带宽和方向性变化很明显，这是因为此介质覆层结构的通带频段内，对频段内的电磁波实现汇聚作用，由于覆层的作用，使槽口天线阵的中心频率向低端偏移[5,6]。故在实际应用中，我们应该合理考虑覆层影响，选择适当的工作频段，以达到最佳的效果。
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图1 腔体缝隙天线前端加介质透镜
图2，图3给出了无覆层和有覆层时圆极化缝隙天线方向图增益比较，从蓝色增益曲线可以看出, 在不加介质覆层时，对于单环缝隙天线, 中心频率12GHz 其主瓣最大增益为10.8dB, 半功率波瓣宽度为74°; 当加了高折射率介质层后, 从橙色增益曲线可以看出其增益达到13.5dB, 半功率波瓣宽度为36°, 增益提高了2.7dB 。这对缝隙天线来说, 其增益增加的程度相当可观。图4给出了无覆层和有覆层时圆极化缝隙天线的驻波比比较，加上介质覆层后，在所需的工作频段内驻波比均小于1.2。当加上介质层时, 在介质覆层作用下, 该天线的方向图呈现很明显的汇聚现象，驻波比也有了明显的改进。
图2 加介质透镜的前后的增益比较
（蓝色、橙色分别为加介质覆层前后的增益曲线）
图3 加介质透镜前后向图比较
（蓝色、红色分别为加介质覆层前后的方向图）
图4 加介质透镜前后驻波比比较（蓝色、红色分别为加介
质覆层前后的驻波比曲线）
下面给出了加上介质覆层后几个点频的方向图，可以看出主瓣方向在个频点基本没有偏转，再次证明了覆层对天线辐射方向图的束缚性很好。
(a) 11.7GHz
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(b) 11.9GHz
(c) 12GHz
(d) 12.4GHz
5 加介质透镜后在ku 波段的方向图（a ）11.7GHz 处的方（b ）11.9GHz 处的方向图; （c ）12GHz 处的方向图; （d ）处的方向图
对于该缝隙天线, 有无介质覆层对天线主方向的1388
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圆极化特性没有太大影响。如果对于线极化缝隙天线, 其加上覆层介质后, 它的中心频率会向低端偏移, 这是由于覆层介质有反射所致[7]。而采用圆极化天线设计, 由于圆极化波的抗干扰特性, 即反射回来的电磁波极化方向相反, 引入的损耗小, 也不存在线极化波极化面旋转的问题, 覆层对天线的影响可以降到最低, 故有效提高了天线工作性能的稳定性。可以预见, 优化覆层透镜的尺寸, 其波瓣宽度会继续变窄，两个副瓣的电平继续降低, 增益将继续提高[8,9]。所以, 合理选择阵面尺寸和增益之间的关系是该覆层天线设计中的一个关键问题, 可根据需要进行设计加工，一般覆层可以作为天线保护外壳的形式加载在天线前端，成本相当低廉。
在光学上望远镜原理可能人人都会知晓，利用双层介质结构实现更高增益，现通过仿真发现双层介质结构与单层介质和不加介质覆层相比，增益还是有所改善如图7所示。双层介质覆层会使得天线的增益比单层介质覆层大1.5dB ，比不加介质覆层大4dB 以上。
图6 缝隙天线前端加双层介质透镜
图7 加双层介质与单层介质及不加介质天线增益比较 的增益曲线）
（红色、粉红色、绿色分别为不加介质，单层介质，双层介质
图向图；12.4GHz ·
3 结论
通过CST 仿真结果可以看到, 圆极化缝隙天线在附加了高折射率的介质覆层后, 波瓣宽度变窄, 增益得到了显著提高, 且该天线保持了良好的圆极化特
性。同时该天线还具有结构简单、加工方便、成本低的特点。介质材料应用于微带天线是新型高增益天线的一个重要发展方向。这种研究对于媒质在天线中的应用具有很好的指导作用, 而且对小型化高增益天线的开发具有重要的参考价值。
参 考 文 献
[1] 林昌禄. 天线工程手册[M].北京:电子工业出版社，2002.
[2] 钟顺时. 微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社，1991.
[3] 龙云亮, 林嘉伟, 容启宁. 新型微带馈电线缝隙天线阵的设计[J].中山大学学报(自然科学版), 2002, 41(5): 16-18. [4] 王伟，吕善伟. 单脉冲平面缝隙阵列天线设计和误差分析[J].无线电工程,1996, (2): 58-64.
[5] CHEN I J, HUANG C S, HSU P. Circularly polarized patch antenna array fed by coplanar waveguide[J]. IEEE Trans. AP, 2004,
29(6): 1607-1609.
[6] M.W. Elsallal and D. H. Schaubert, "On the PerformanceTrade-Offs Associated with Modular Element of Single-and
Dual-Polarized DmBAVA," 2006 AntennaApplications Symposium, pp. 166 - 187, 20-22September.2006.
[7] M.W. Elsallal, "Doubly-mirrored Balanced Antipodal Vivaldi Antenna (DmBAVA) for High Performance Arrays of Electrically
Short, Modular Elements," Ph.D.Dissertation Thesis, Dept. Of Electrical and Computer Engineering, University of Massachusetts, Amherst. Tobe presented in Oct. 2007.
[8] 王乃彪 , 焦永昌 , 张福顺. 各向同性色散双负性材料中电磁波的传播特性研究. 西安电子科技大学电子工程学院研究生学
术年会. 2004
[9] Zio lkowski R W and Kipple A D. Application of double negative materials to increase the power radiated by electrically small
antennas . IEEE Trans Antennas Propagat, Vol 51: 2626～2640, Oct . 2003.
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