3.2.1介质基片的选择
介质基片的厚度和材料直接影响到微带天线的带宽、效率。因此，设计微带天线的第一步是选择合适的介质基片。根据腔模理论，微带贴片天线可等效为一漏波谐振腔，尽管有较强的辐射，但它依然是Q值较高的谐振系统。对于辐射贴片，为了有效降低微带天线的Q值，展宽工作频带，尽可能选择介电常数较低、厚度较厚的介质基片；对于馈电网络，选择较薄的基片将有效降低来自馈线的伪辐射，而且能增强介质对波的束缚作用，增大能量耦合效率。因此，在选取介质基片时根据具体应用首先要考虑基片的多个参数：如介电常数?r、介质厚度h、损耗角正切tan?等；其次要考虑介质基片的多种性质：如基片厚度的均匀性、基片随湿度和温度变化的稳定性、基片的抗化学性、拉伸强度及结构强度、柔韧性、抗冲击性、可粘合性等。
在本文中，由于口径耦合馈电方式的优点，辐射贴片和馈电网络可以根据不同的需求分别选择不同的介质基片。但辐射基片的介质厚度不能太厚，否则容易在贴片天线表面激励起不必要的高次模和伪辐射。综合考虑上述因素，本文中的辐射天线单元采用?r1?2.2,h1?1mm的聚四氟乙烯板；馈电介质板采用?r2?3.38，
h2?0.305mm的陶瓷碳氢混合物板。
3.2.2天线单元各参数的确定
由于采用了口径耦合的馈电方式，辐射贴片部分的参数可以根据微带天线的经典公式来确定，而馈电部分可以采用微带天线的传输线模型理论来确定。 1）辐射贴片尺寸的确定
辐射贴片的尺寸可以根据下列经典公式得出：
a?b?c?r?1?1/2() (3-2-1) 2fr2c2fr?e?2?l (3-2-2)
10h?1/2) (3-2-3)
22a(??0.3)(a/h?0.264)?l?0.412he (3-2-4)
(?e?0.258)(a/h?0.8)?e??r?1?r?1?(1?式中c是光速，fr是谐振频率，?e是等效介电常数，?l是伸长量。其中a大小还影响着微带天线的方向性函数、辐射电阻、输入阻抗，从而也就影响着频带的宽度和辐射效率。由式(3-2-3)可知：当?r和h已知时?e取决于宽度a，而单
元长度b的尺寸又取决于?e，因此a的尺寸应首先确定。当尺寸a小于式（3-2-1）的宽度时，辐射贴片的效率将降低，一般在尺寸允许的条件下a取的适当大些对频带、效率及阻抗匹配都有利，但当尺寸a大于式（3-2-1）的宽度时将产生高次模，从而引起场的畸变。b在理论上取二分之一波长，但由于边缘场的影响，
b的值由式（3-2-2）来确定。本文在设计天线的辐射贴片时选择了方形贴片,因为它可以保持良好的双极化对称特性。 2）空气层厚度的确定
通常，空气层的高度取0.1?0。考虑到本文要实现Ku波段双频段功能，空气层的高度初步设定为0.1?1??c?0.1?2。尽管谐振频率主要由辐射贴片的尺寸决定，但空气层的厚度对天线的谐振点也有一定的影响。一般随着空气层厚度的增加，在其他参数不变的情况下，天线的谐振频率向低端会有较大的偏移。本文空气层厚度的初始参数?c取2.2 mm。 3）口径尺寸、馈线及调谐枝节长度的确定
如图3-1中图(c)所示，采用一对H形口径成轴对称结构。为了实现良好的交叉极化和隔离度特性，两个H型缝隙呈T字型放置。因为两个互相垂直的H形口径中的一个中央臂与另一个口径的馈线平行，在这种情况下，此H形口径并不从另一馈线端口耦合能量，所以两个极化馈电端口能产生较好的隔离度。缝隙长度决定电磁的耦合量，过长的缝隙将引起较大的后向辐射，另外缝隙宽度影响交叉极化分量的上升。在满足天线带宽的条件下，缝隙的尺寸越小越好。缝隙的长宽可由以下方程来近似地计算。
790最后，确定馈线和开路枝节的几何参数。该结构中的馈线由两相互正交的
L??0,W??0 (3-2-5)
50Ω微带线组成，为了增强辐射贴片与馈线之间的耦合，微带馈线均采用中心正馈的方式。口径耦合微带贴片天线通常采用微带开路支节进行调谐，它的作用是调整输入导纳电纳部分以便得到较好的阻抗带宽，调谐的长度一般稍小于?g/4。
3.3天线单元的仿真结果
天线的谐振频率主要由微带贴片的尺寸来决定。通过调节开路终端微带馈线的长度和H型缝隙的尺寸、位置以及辐射贴片的大小来改善天线的阻抗匹配特性，以形成双频谐振点和提高端口的频带宽度。完成初步设计后，得到满足电性能指标的结构参数，最后用电磁仿真软件CST对天线的结构参数进行仿真优化，优化后天线单元结构参数分别如表3-1所示。
表3-1天线单元各参数（单位：mm）
参数 尺寸 参数 尺寸 Wc1 0.8 Wc3 0.85 Wc2 0.25 Wc4 0.2 Lc1 0.5 Lc3 3.5 Lc2 3.4 Lc4 0.46 Ls5 1.2 Ls6 0.31
(a)天线单元反射系数仿真结果 (b)天线单元隔离度仿真结果
(c)水平极化端口阻抗特性曲线 (d)垂直极化端口阻抗特性曲线
天线单元的S参数仿真结果如图3-2中图(a)和图(b)所示。水平极化端口在10.84GHz～13.81GHz内|S11|<-14dB，相对阻抗带宽为24.1%；垂直极化端口在13.18GHz～14.58GHz内|S22|<-14dB，相对阻抗带宽为10.09%；在11GHz～16GHz整个频带范围内两个极化端口的隔离度优于38dB。两个极化端口的阻抗特性分别如图(c)和图(d)所示。由于水平极化端口较宽的频带特性，使得水平极化端输入阻抗的实部在50Ω附近上下波动幅度较小，虚部在0Ω附近波动幅度也很小；而垂直极化端的频带相对较窄，实部和虚部波动的幅度较大。
3.4本章小结
本章设计了Ku波段宽带双频双极化微带天线单元。首先介绍了天线单元的结构及设计步骤。其次，根据微带天线理论计算出天线单元各参数，用电磁仿真软件CST对该天线进行了建模、仿真和优化，并给出了天线单元优化后的各参数。最后，给出了天线单元结构的仿真结果并且进行了分析和评价，达到了预期的设计要求和效果。
4 结束语
现代的卫星通信系统对天线提出了更高的要求，不仅要求天线小型化、重量轻、具有良好的隐蔽性和机动性，同时为满足大容量通信的需求，要求天线具有双极化、多频性及宽带特性。Ku波段宽带双频双极化微带天线能满足上述要求，但其本身的多性能特性带来的是研究和设计上的困难，一方面要求微带天线具有双频特性，且每个频带又要求宽带工作；另一方面要微带天线能实现双线极化辐射特性，而且要求具有较高的隔离度和较低的交叉极化电平，这对微带天线的设计提出了严峻的挑战。
本文在对微带天线的性能、结构模型、馈电技术等各个方面进行深入探讨的基础上，设计了结构简单的具有宽频带、双频、双极化性能的Ku波段平面微带天线单元。针对微带天线频带窄的特点，采用了H形口径耦合馈电技术、插入空气层等方式实现天线的宽频带谐振；采用不同馈电点技术在微带天线单元中形成双频谐振点实现了双频工作；采用微带正交背馈的方式实现了双极化特性。本文设计的天线阵结构简单，成本低，易调试。
当然，由于作者时间有限，尚有一些后续工作需要进一步完善。后续工作可在前期理论分析和大量计算机仿真及试验模型天线测试调整的基础上进行。希望今后在革新的基础上设计出性能更好，结构更简单更新颖的微带天线来。
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